中鑫之寶汽車服務(wù)有限公司 任賀新

大多數(shù)汽車維修人員沒用過示波器，習(xí)慣于使用萬用表檢測汽車故障，對示波器的功能不了解，認為它非常神秘。下面筆者通過介紹示波器的一些主要性能參數(shù)，來為大家揭開它的面紗。

1 為什么要用示波器修車？

數(shù)字式萬用表的刷新速度通常是2次/s（部分高端萬用表能達到4次/s），若用它測量一個信號電壓，會在顯示屏上顯示一個讀數(shù)，這并非實際電壓，受限于較慢的刷新速度，這只是平均電壓。舉個例子，圖1為可變氣門正時電磁閥電路，紅色線路為供電線，發(fā)動機控制單元控制藍色線（控制線）搭鐵，使電磁閥工作。將數(shù)字式萬用表的紅表筆接在控制線上，黑色表筆接搭鐵，測得的電壓約為8.7 V，這是實際電壓嗎？用示波器測得該控制線上的電壓波形如圖2所示，可以看出，控制線上的電壓在低電位（約為0.28 V）和高電位（約為14.6 V）之間來回變化，計算出的平均電壓為8.74 V。其實這是一個占空比信號，周期約為4 ms，電磁閥通電時間占一個周期的比例約為40%，也就是說閥門的開度約為40%。

圖1 可變氣門正時電磁閥電路

圖2 可變氣門正時電磁閥控制線上的電壓波形（截屏）

示波器的刷新速度非常快，超過每秒百萬次，能在極短的時間內(nèi)采集多個電壓數(shù)值，并將其繪制成曲線，以圖像的形式呈現(xiàn)出來，讓維修人員能夠直觀地看到信號是如何變化的，與其他測量設(shè)備相比，示波器具有不可比擬的優(yōu)勢。

2 示波器有哪些類型？

示波器可分為模擬示波器和數(shù)字示波器。模擬示波器（圖3）像老式的顯像管電視機，它利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細小的光點。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的變化曲線。

圖3 模擬示波器

模擬示波器的分辨率高，圖像細膩、真實，對信號的測量是連續(xù)進行的，并且能夠?qū)崟r顯示波形，但是它沒有存儲功能，突變信號一閃而過，不能保持在屏幕上，同時模擬示波器體積大、笨重，工作時需要連接220 V電源，因此維修汽車不使用模擬示波器。

數(shù)字示波器中最常見的是數(shù)字存儲示波器（Digital Storage Oscilloscope，簡稱DSO），這種示波器能夠存儲波形，它是如何做到的？DSO的信號處理過程如圖4所示，不要被一大堆未知的名詞嚇跑了，做汽車維修不需要深入學(xué)習(xí)這方面的知識。從名字就能看出，DSO存儲的是數(shù)字信號，可以把這種信號理解為一個開關(guān)，只有 “斷開”和“接通”兩種狀態(tài)，即“0”和“1”的變化。

圖4 DSO的信號處理過程

探頭（相當于萬用表的表筆）向DSO輸入一個連續(xù)變化的電壓，這是模擬信號，前端放大器能將微弱的電壓信號放大，提高DSO的靈敏度。中央處理器只能處理數(shù)字信號，所以必須把連續(xù)信號數(shù)字化，這個過程是怎么實現(xiàn)的？如圖5所示，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器等時間間隔地采集電壓樣本，再將這些電壓樣本轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，并按照順序存入存儲器。波形是怎樣顯示在屏幕上的？中央處理器按原順序讀取存儲器中的數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)換為合適的格式輸出給顯示屏，就可以顯示波形了。

圖5 DSO的信號采樣和存儲過程

通過上述描述可以看出，DSO的信號處理過程主要分為“采樣存儲”和“處理顯示”兩個階段，這兩個階段只能交替進行，即“采樣存儲”期間無法“處理顯示”，“處理顯示”期間停止“采樣存儲”，因此DSO不能實時顯示波形，這會導(dǎo)致丟失一部分信號波形，但無需對此擔心，DSO處理信號的速度非?？?，丟失的波形很少，不會對使用造成影響。

DSO能長時間存儲波形，其內(nèi)部的微型中央處理器有很強的數(shù)據(jù)處理能力，可以實現(xiàn)多種波形參數(shù)的測量和顯示，還能進行加減乘除等多種復(fù)雜的運算，因此維修汽車使用DSO。

3 數(shù)字示波器有哪些性能指標？

隨著汽車電氣化程度的提高，示波器在汽車維修領(lǐng)域逐漸普及起來，市場上的示波器種類及品牌多如牛毛，價格從幾百元到幾萬元不等，如何判斷一臺示波器的好壞呢？可以從通道、帶寬、采樣率、存儲深度及垂直分辨率等參數(shù)指標進行評價。

3.1 通道

通道即同時可測量的信號數(shù)量，通道越多，可比較性越好，允許同時觀察更多的信號，示波器的價格也更貴。比如檢查發(fā)動機配氣正時，至少需要2個通道，一個通道測量凸輪軸位置傳感器，另一個通道測量曲軸位置傳感器，而對于1臺配備了雙可變配氣正時機構(gòu)的4缸發(fā)動機，進、排氣凸輪軸都帶位置傳感器，就得用3個通道，使用雙通道示波器只能分2次測量。

通道并非越多越好，采用多通道運行會降低示波器的性能，比如采樣率和存儲深度。汽車維修一般使用2通道或4通道示波器。

3.2 帶寬

帶寬指信號可通過示波器前端放大器的最高頻率，相當于一扇“門”，如果被測信號的頻率高于示波器的帶寬，將無法通過這道“門”。在選擇帶寬時，可以使用“5倍法則”，即示波器的帶寬至少是被測信號最大頻率的5倍。比如高速CAN總線的傳輸速率為500 kbit/s，理論上帶寬為2.5 MHz的示波器就夠用了，而大多數(shù)汽車專用示波器的帶寬都在20 MHz以上，已經(jīng)遠超需求。

3.3 采樣率

模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器等時間間隔地采集電壓樣本，并把該電壓轉(zhuǎn)化為二進制的數(shù)字信號，這就是DSO的采樣。示波器的采樣率表示每秒的采樣次數(shù)，它的單位是兆樣本每秒（MS/s，M Sample/second）或千兆樣本每秒（GS/s，G Sample/second），比如pico汽車專用示波器的采樣率為400 MS/s，意味著每秒可采集4億個樣本。

采樣率決定了示波器可以捕獲多少波形細節(jié)。采樣率越高，意味著采樣之間的時間間隔越小，重建出來的波形就越接近原始信號。為了最大程度發(fā)揮示波器的性能，筆者再次推薦“5倍法則”，即采樣率最低是帶寬的5倍，比如示波器的帶寬為20 MHz，采樣率至少為100 MS/s（這里指單個通道的采樣率）。

示波器的采樣率和帶寬不同，當打開多個通道的時候，采樣率會被每個通道平均分配，比如示波器的采樣率為400 MS/s，使用2個通道時，每個通道的采樣率降低為200 MS/s。

3.4 存儲深度

存儲深度英文叫“Record Length”，有時翻譯成“存儲長度”或“記錄長度”，都是一個意思。存儲深度表示示波器可以保存的采樣點的個數(shù)，單位為kpts（kS）或Mpts（MS），pts是points的縮寫，意思是采樣點，比如示波器的存儲深度為1 Mpts，意味著它可以保存100萬個采樣點。

在存儲深度一定的情況下，采樣率越高，存儲器存滿的速度越快，反之亦然，采樣率和存儲深度之間的關(guān)系為：存儲深度=采樣率×波形時長。例如，假設(shè)某款示波器的采樣率為200 MS/s，水平軸（時間軸）滿屏幕為10格，設(shè)置時基為10 ms/格，則每屏幕采樣時間是100 ms（10 ms/格×10格），需要示波器的存儲深度為20 Mpts（200 MS/s×100 ms）；設(shè)置時基為100 ms/格，則每屏幕采樣時間是1 s（100 ms/格×10格），需要示波器的存儲深度為200 Mpts。如果該款示波器的存儲深度只有2 Mpts，由于存儲深度是固定的，只能通過降低采樣率達到目的，在第1種時基設(shè)置情況下，示波器的實際采樣率降低至20 MS/s；在第2種時基設(shè)置情況下，示波器的實際采樣率為2 MS/s，這勢必造成波形質(zhì)量下降。

當打開多個通道時，存儲深度也會被每個通道平均分配，比如示波器的存儲深度為2 Mpts，使用2個通道時，每個通道的存儲深度降低為1 Mpts。

示波器的存儲深度是一項重要的指標，如果存儲深度不足，根本無法實現(xiàn)示波器標稱的采樣率，只能以較低的實際采樣率工作。示波器中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣速率太快，普通存儲介質(zhì)的數(shù)據(jù)“吞吐”速度跟不上，怎樣將采樣點高速地傳輸?shù)酱鎯ζ髦惺且粋€難題！很多低端示波器的存儲深度都小得可憐，大家在購買前一定要擦亮眼睛。

診斷汽車故障時，有的故障是偶發(fā)瞬態(tài)出現(xiàn)的，需要使用一款能同時提供大存儲深度和高采樣率的示波器。筆者建議，汽車示波器的存儲深度至少要達到1 Mpts（這里指單個通道的存儲深度）。

3.5 垂直分辨率

分辨率指的是縱橫向上的采樣點數(shù)，它決定了展示波形細節(jié)的精細度，其中水平分辨率取決于存儲深度，以屏幕每格含多少個取樣點表示。垂直分辨率取決于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率，表示示波器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的精確程度。圖6中示波器的屏幕坐標刻度為8×12格，若采用容量為1 kpts的存儲器，則水平分辨率為1 024點÷12格≈85點/格。若使用8位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，二進制從0000 0000到1111 1111共28個數(shù)字，即屏幕在垂直方向上可以被切分成256段，它在垂直方向上的測量精度為256級÷8格=32級/格。選擇電壓擋位為1 V/格時，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器能分辨的電壓為1 000 mV÷25.6≈39 mV；測量同一個信號，選擇電壓擋位為5 V/格時，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器能分辨的電壓為5 000 mV÷25.6≈195 mV。DSO無法測量小于分辨電壓的信號，所以在使用示波器時，應(yīng)調(diào)整好幅值，盡量使波形占滿示波器屏幕，這樣能提高垂直精度，使測量結(jié)果更準確。

圖6 示波器屏幕

普通示波器的垂直分辨率為8位，部分高端示波器的垂直分辨率可達12位，這意味著屏幕在垂直方向上可以被切分成4 096段，若屏幕縱向上是10格，它在垂直方向上的測量精度為4 096級÷10格=409.6級/格，精確度提高16倍。

示波器的主要功能是顯示波形的形狀，測量準確度一般在2%以內(nèi)，受限于垂直分辨率，示波器的測量精度是不如萬用表的。每種設(shè)備都有自己的優(yōu)勢，如果追求電壓的準確度，建議使用萬用表。

4 如何選擇示波器的外觀形式？

數(shù)字示波器不僅參數(shù)指標眾多，還有很多種外觀形式，比如手持式、臺式、平板等，這也是很多示波器愛好者關(guān)心的話題，筆者順帶介紹一下。

（1）臺式數(shù)字示波器的價格便宜，性價比較高，但體積大、笨重，需要連接220 V電源。維修汽車一般不使用這種示波器。

（2）手持數(shù)字示波器的優(yōu)點是自帶電池，不用外接電源，體積小（比萬用表略大），缺點是屏幕太小，屏幕分辨率不高，適合汽車維修使用。

（3）平板數(shù)字示波器的外觀像平板電腦，屏幕大，觸控操作，自帶電源，也適合汽車維修使用。

（4）虛擬數(shù)字示波器不帶顯示屏，通過USB線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X顯示，缺點是維修時還得拿1臺筆記本電腦，優(yōu)點是高清大屏顯示，便于觀察和存儲波形，軟件操作人性化，同樣適合汽車維修使用。

筆者使用的就是pico品牌的虛擬示波器，低端的虛擬示波器不好用，要買就得買高端的，否則建議選擇其他種類的示波器。很多品牌都推出了汽車專用示波器，它只是簡化了參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)，比如幅值、時基等，并給出少量的維修資料，筆者認為實際作用不大，示波器的好壞還得看性能指標。