1.2 电压表VS示波器——探索示波器的优越性

示波器的基本功能是电压参数的测量，然而，电压参数的测量不仅仅可以用示波器。电压表也是一种电压测量设备，那么两者究竟有什么区别和联系呢？与电压表相比，示波器又有怎样的优越性呢？

1.2.1 电压表简介

电压表可以分为指针式与数字式两种，从基本功能来说，两者是相同的（两者都是具有电压、电流、电阻等测量功能的万用表，在此处仅讨论其电压测量的功能），即都是对电路中的电压量进行测量。指针式电压表的一般测试精度在1.5%左右，测试级的指针式电压表可以达到0.5%，甚至0.1%的测试精度。图1.3和图1.4分别为常用的指针式电压表及常用的数字式电压表。

为了减少测试用仪表，在测量电压等电参数时常用万用表的电压挡测量电压，指针式万用表的直流电压挡精度最高可以达到1%，可以满足一般测试应用；数字式万用表在理论上可以达到更高的测量精度，比较廉价的数字式万用表也能达到四位半的测量精度。常用的指针式万用表和常用的数字式万用表如图1.5和图1.6所示。

图1.5的MF47型指针式万用表是近20年来用得最多的指针式万用表，其根本原因是其性价比较高。MF47型指针式万用表的直流精度为2.5级。能达到1.0级的指针式万用表是20世纪60年代至70年代的万用表之王—MF18型万用表，它在一般的企业的仪表室中常替代测试级指针式仪表。而该款万用表的价格至少是MF47型指针式万用表的7倍。作为一般应用显得过于奢侈。关于万用表的详细叙述，见本书后面内容。

仅从外观来看，显然示波器的功能看起来要多得多，似乎使用起来也复杂得多。而就其本质来说，两者又是怎样呢？

1.2.2 电压参数测量对比

可以通过下面四种情况进行电压参数测量对比。

1.直流电压的测量

1）第1种情况：直流电压平均值的测量

在这里测试一个输出电压为5V的直流稳压电源。两者测量的结果如图1.7所示。

对于直流电压的测量，只需要得到电压的一个数值。我们可以看到，两者都可以用来测量直流电压。其中，示波器仅显示一条直线，并且读数的精度很差，一般精度为3%；对应的，万用表以电压表方式在测量电压的时候，所显示的信息是高精度的电压示数。数字式电压表具有比较高的电压测量精度，手持式数字电压表可以精确到四位半有效数字（19999），台式数字电压表可以达到五位半（199999）甚至更高的精度。另外，示波器开机及设置过程比较复杂，而电压表仅需要打开电源开关（指针式电压表不需要电源，因此不用打开电源开关的操作）选择恰当的量程即可。

因此，仅仅从测量直流电压的平均值的用途来看，电压表明显优于示波器。

2）第2种情况：直流电压中带有的毛刺和纹波电压的测量

理想的直流电压源的理想状态应该是仅有平均值，没有交流分量（如毛刺或纹波电压）。但是在实际应用中直流电压源或者因为自身原因（如整流滤波电路的整流输出电压中存在纹波电压，或开关稳压电源的输出电压中存在尖峰电压），或者来自于负载的交流电流分量，会引起直流电压源产生电压尖峰或毛刺。

如果直流电压中带有毛刺或其他的干扰，如工频交流电整流滤波后的纹波电压，仅能显示电压数值的电压表将无法测量，这时示波器可以将叠加在直流电压上的毛刺或纹波电压很好地显示出来。图1.8为用示波器测量直流电压上的毛刺，图1.9为用示波器测量工频整流滤波输出的纹波电压。

图1.8 和图1.9 显示的波形和参数是一般的电压表所不能显示的，这就显现出示波器的优势，可以通过测得的交流电压分量来了解直流电压源的性能和品质，因为直流电压上叠加的纹波电压和尖峰电压的大小会影响由其供电的电子线路是否能正常工作。

2.交流电压的测量

对于交流电压的测量，一般来说也是仅需要读取其电压值。我们可以看到，此时的测量情况，基本上与第1种情况相同：如果仅仅测量交流电压的有效值，示波器的精度远比不上电压表，特别是数字式电压表。

如果交流电压不是一个纯正正弦波，在示波器的屏幕上会显示出电压随时间的变化，无论是方波、三角波还是其他的电压波形，示波器都可以显示出来，如图1.10所示。而电压表仅仅显示此交流电压的有效值或真有效值，这仅仅是一个数字，不能显示出交流电压是如何变化的。在非线性电路中，电子工程师要清楚电路的工作状态是否正确就需要看到电路相关的电压对时间的波形。

在需要知道频率、相位的时候，由于电压表一般不能显示频率和相位，因此仅仅用电压表是肯定做不到的。

1）第3种情况：矩形波电压测量

矩形波电压是现在很常见的交流电压波形。用电压表和示波器测量的结果如图1.11所示。

在图1.11 中，整流系交流电压表显示电压有效值为11V，而真有效值电压表则显示为9.31V。两种电压表的示数不同，肯定有一个电压表的示数是错误的，为什么呢？

原因是指针式交流电压表可以分为整流系和电磁系两种。指针式仪表中，最常见、最便宜的是电磁系电压表，但是这种电磁系电压表只能测量直流电压平均值，不能直接测量交流电压。要想用电磁系电压表测量交流电压，最简单的方法就是在电磁系电压表前加二极管“整流”，根据整流输出的电压平均值与交流电压的有效值之间的关系，在表盘上将平均值折算为有效值电压。在交流电压不是正弦波电压时，其有效值与整流后的平均值的换算关系就会变化。在没有更好的解决方案之前，不同的电压波形常通过一个换算表再换算一次。

另一种指针式电压表是电磁系电压表，这是显示真有效值电压的电压表，这种电压表多用于测量工频电压。这就是两种电压表显示的方波或非正弦波电压值不同的原因。

在数字电压表中也有“整流系”和真有效值的交流电压测试方式，因此不同数字电压表的测试方式，其测试结果必然不同。

示波器可以让观察者看到波形的形状，甚至还有占空比、频率等参数，也会看到矩形波上是否存在杂波。

2）第4种情况：失真的正弦波测量

在电子测量中，我们为了得知电路的工作状态，很多时候仅仅关心波形的形状，而非幅值。因为有些情况下，我们可能连交流电压是怎样的波形都不知道，比如失真的正弦波，在模拟电子技术中常常要测量波形。对于这种测量，显然只能进行幅值测量的电压表毫无办法，不但测量的数值不正确，而且连波形失真与否都无从得知。而示波器可以清楚地显示每个时刻波形的电压值，并将图像显示在屏幕上，因此是否失真一目了然。图1.12为一个带有直流分量和交流分量的脉动直流电压测试结果。

很显然，指针式电压表只显示了其直流分量8.2V，数字式电压表也仅仅显示了直流电压平均值，与指针式电压表所不同的是其测量精度更高。电压表在真有效值的测试方法下所测试到的脉动直流电压是直流电压分量和交流电压分量共同作用下的有效值电压，不能给出其交流电压是多少，是什么样的波形，而示波器就能清楚地告诉我们。

很明显，对于未知波形（本例中为失真的正弦波）的测量，示波器的作用是不可替代的。

大部分万用表的交流电压测量只是针对正弦波的，而当波形为非正弦波时，由于波形系数不同的缘故，便不能再用普通的电压表，而只能选择与波形相对应的电压表去测量。而示波器则没有这种缺陷，不论电压为何种波形，都可以正确地测量，只需要一台示波器即可完成任务（不考虑频率的问题）。显然，此时示波器的通用性要明显优于电压表。并且更多情况下，需要对方波的频率、矩形波的占空比，甚至上升时间等参数进行测量，这时就必须使用示波器才能测得这些数据，对于这些电压表所无法测量的参数，示波器的功能是极为优越的。可见，对于非正弦交流电压，示波器在测量方面的优势是电压表所无可比拟的。

总而言之，经过以上的讨论，我们知道电压表与示波器各有其优势：对于仅需要测得直流电压和正弦交流电压幅值的情况，电压表的测量快速准确；而对于非正弦交流电压或者未知波形幅值、频率、占空比、上升时间等波形参数的测量，以及观察每个时刻电路的工作状态，则唯独示波器可以做到。

因此，示波器的优势就是可以对各种各样的电压波形进行多物理量测量，并且可以很方便地得到电路每个时刻的工作状态。随着电子技术的不断发展，这种测量的应用领域越来越多。可以说，掌握示波器的使用，是当代电子工程师的一项必备技能。