示波器和万用表都是电子工程师日常开发、调试必不可少的设备。万用表主要用于测试某一时间点的电压/电流值等,示波器则是用以绘制电压/电流随时间变化的波形。那您知道两者实际该如何正确应用吗?
实测选择
那么该如何判断在什么测试条件下选择示波器还是万用表来测量呢?以电容充放电过程为例,原理图如图1所示。使用5V直流电源给系统供电,当S1闭合时,电容处于充电状态;当S1断开时,电容处于放电状态。理想情况下,图2为充放电波形解析,其中Ta为电容充电完成所需的时间,Tb为电容放电完成所需的时间。
测试过程中使用到致远电子的万用表(DMM6000)和示波器(ZDS4054 Plus)。其中根据官方提供的指标可得,万用表(DMM6000)的精度为0．0035 % 读数+ 0．0007%量程,示波器(ZDS4054 Plus)的精度为满量程的2%。
图1 电容充放电原理图
图2 电容充放电波形
若需要获得一个更为精确的电压值,应选择万用表。
从精度层面来看,万用表的精度明显是更胜一筹的。将示波器探头或万用表的红黑表笔接在电容两端,测试电容充电完成时的电压。由图3和图4可见,万用表测得电压为2．60922V,示波器测得电压为2．68000V(因为接入的是直流电源,所以电压峰峰值=电压有效值)。万用表(DMM6000)的精度为0．0035 % 读数+ 0．0007%量程,即其误差范围是±0．0001613V;示波器(ZDS4054 Plus)的精度为满量程的2%,即其误差范围是±0．1600000V。
图3 万用表实测
图4 示波器实测
若需要观察电压随时间变化的波形或测量充电/放电完成所需时间,应选择示波器。从时间维度来看,示波器可以直观地观察到电容充放电的过程并可通过光标或者【Measure】功能测得电容充电/放电完成所需时间。如图5所示,通过自动测量得到上升时间(即电容充电完成所需时间)为9．4307s,下降时间(即电容放电完成所需时间)为9．6295s。
假设使用万用表来测量,只能通过人工按间隔时间测量变化的电压值并记录,最终手动绘制波形图。从示波器测量的上升时间来看,时长非常短。尽管人工每秒记录一个数据,上升时间最多只能记录到9个数据,而通过这9个数据还原的电压变化情况是没有参考意义的。与万用表相比,示波器当前采样率为2MSa/s(每秒钟可采集2000 000个采样点),这不仅还原度更高,还更为便捷,可以节省大量的时间和人力。
图5 上升/下降时间实测
如何提高示波器精度
若是测单点电压值,万用表的精度确实是优于示波器的。那么是否可以提高示波器的精度呢?答案是肯定的。
在测量过程中可以通过以下两个方法来提高示波器的精度(减小示波器的测量误差):1．使用合适衰减比的探头;
2．减小垂直档位。
从图3、图4、图6和图7来分析,测量误差范围对比如表1所示。从表1的误差对比来看,阴影部分为示波器不同测量条件下允许的测量误差,万用表的测量结果都在示波器测量允许的误差范围内。但明显可以看出,阴影面积是②>③>④。因此在本次实例中,可通过使用×10档衰减比的探头和垂直档位减小为500mV/div的方法来提高示波器的精度。
图6 ×1档探头测量
图7 垂直档位减小为500mV/div
表1 测量误差范围对比
总结
当前万用表能够实现的测量,示波器也是能够满足的。除此以外,示波器共提供53种测量项,还支持FFT、协议解码、电源分析、环路分析等功能。所谓术业有专攻,万用表的精度比示波器高且体积小、更方便携带。因此,需根据实际需求,合理选择测量设备。
