电子技术实验室的典型配置是每桌一台示波器、信号源、直流电源和万用表。我们发现很多同学虽然上过实验课，却并不了解这些仪器的基本模型，从而不假思索地把它们当成仿真中的电压源、电压表来使用，这会导致一些意想不到的问题。仪器往往具有完善的保护机制，故障的工作状态一般可以恢复，但你的电路就不一定了，很可能会产生永久的损坏。为了帮助同学们提高实验成功率，同时保障实验室人员安全、财产安全，这里向大家介绍实验仪器的基本模型。

■直流电源
信号和电源的输出总是比输入简单，我们从直流电源开始。
直流电源内部可以看作若干个电压可调的、不可充电的电池，电池之间可以任意串并联。一个典型的配置是，左边一路的正极接右边一路的负极作为地，那么右边一路的正极就是正电源，而左边一路的负极就是负电源。
电池在短路时会放出大电流，而直流电源一般都带有电流限制功能。当电流超过设定的电流时，电源会降低输出电压，使得输出电流维持在设定值，称为恒流模式，而一旦负载减小，使得设定电压下的电流不超过设定电流，则会回到恒压模式。
为什么要强调“不可充电”？对于可充电电池，如果它没充满也没放完，那么它可以接受双向的电流，既能向外提供电流，也能向里吸纳电流（都是相对正极来说），但是台式电源只能单向地向外提供电流，而不能吸纳电流。例如，当一个通道设置为3.3 V电压，而你给它外接5 V电压，它将不会吸纳电流使输出稳定在3.3 V，而是放任电压升高到5 V。这意味着直流电源不能作为参考电压源，也不能提供过压保护（部分高端型号可以）。
实验室的直流电源一般至少有双通道，双通道电源大部分内置了通道串联和并联功能。开启串联功能后，一通道的负极会连接到另一通道的正极，无需外部接线；开启并联功能后，两通道会并联，输出电流能力翻倍，一般只在一个端口输出。有些电源会提供第三甚至第四个辅助通道，通常电压不超过6 V，是用来给数字电路供电的。

■ 信号源
信号源的基本模型由一个理想电压源和50 Ω电阻组成。理想电压源的负极接大地，正极串联50 Ω电阻，输出到BNC连接器的中心，而BNC连接器的外圈亦接大地。
这个50 Ω电阻是经常被忽略的。当接入信号源的电路输入阻抗较大时，比如大于1 kΩ，该电阻就可以忽略了，而一般的实验电路都满足这一条件。但是，在以下几种情况中，你需要确切地知道这个50 Ω电阻的存在。
第一种情况是输出短路。由于这个50 Ω电阻，内部理想电压源不会直接短路，因此它是安全的。这可以用来产生电流源，例如当你需要在一根内阻相比50 Ω可忽略的导线中通以10 mA RMS电流时，只需要把导线直接接信号源输出，而信号源设置500 mV RMS输出即可。
第二种情况是当所接电路的输入阻抗比较小的时候，电路实际输入电压会跟设定值之间有明显偏差。一个典型的例子是，对于10 MHz以上的信号，传输线长度已经不能忽略，需要阻抗匹配以消除传输线影响，为此信号输入端会有一个50 Ω电阻到地，与传输线特征阻抗匹配，此时实际输入电压只有理想电压源输出电压的一半。
这是个很常见的应用场景，为此信号源一般都提供了一个选项，叫做负载选择，当你选择50 Ω时，就是在告诉它，我的电路输入阻抗是50 Ω，你输出多少电压我只能看到一半，能不能不要让我来换算呢？于是它就会以显示数值的两倍来输出，从而你观察到的电压与示数一致。如果信号源工作在这个模式，而你的电路实际输入阻抗比较高，那么就会观察到两倍于示数的输入电压。此时，为了与之匹配，需要把负载模式切换为高阻，它的输出电压，也约等于你的电路的输入电压，就等于它的示数了。
以上是关于输出的正极，即BNC的中心。BNC的外圈连接大地，什么是大地？
这里说的大地是指三孔插座中的地，另外两个孔是火线和零线。在一间合格的实验室中，这个孔会接到真正的大地，是一个绝对可以安全触摸的电位。一些面积较小的实验室会不给地线接地，但地线仍然是相比火线和零线更安全的电位，尽管手摸上去也可能会有麻麻的感觉。
——在你面前有一根火线、一根零线和一根没有接地的地线，你选择摸哪一根？
——地线。
——错！你应该选择哪根都不要摸！
无论真正接地与否，反正各仪器的地都是接到一起的，我们姑且把它称为大地。实验室的信号源往往是双通道的，两个通道的地都是大地。你可以用万用表打一下两个BNC座的外圈，它们是短路的。
这意味着，当你需要两路信号相加时，不能像直流电源那样，一路的负极接另一路的正极，把两个电压串联起来。对于信号源，这会导致其中一路短路，当然因为有50 Ω内阻的存在，该通道不会损坏，但长时间这样工作也是不建议的。
不仅一台信号源上的两个通道的负极相连，不同信号源之间负极也是相连的，通过电源线进入排插，在排插中由铜排并联。此外，示波器探头上的接地夹子连接的也是这个地。因此，对于低频信号（小于1 MHz），只需用探头钩住红色鳄鱼夹，即可用示波器观察信号发生器输出，而地线会通过插座自动连接。对于更高频的信号，该地线的长度不能忽略，还是得把夹子接上。
绝大部分信号源都是接地的。有一些厂商的部分型号支持隔离输出，但是他们没给我广告费，我就不说是哪家了。当然，我们实验室也买不起那些，所以你可以认为所有的信号源的负极都是接大地的。

■ 示波器
示波器这里要强调的第一个重点是触发。对于周期性波形，水平垂直和触发都可以通过autoset一键自动调节，在屏幕上展示出若干个周期的波形，但是在电子调试过程中，很多问题都隐藏在非周期性的信号中，为此我们必须要学习触发系统。
现代的数字示波器在工作时会持续不断地采样输入电压，但并不是一直在屏幕上刷新显示采集到的波形，而是只在某个事件发生的时候，把那个时刻附近的波形显示到屏幕上，这个事件就称为触发。最常用的触发是边沿触发，即把输入电压越过某个你设定的阈值当作触发时刻，屏幕上展示其附近的波形。自下而上越过为上升沿触发，自上而下越过为下降沿触发，双边沿触发是指任意一个方向都当作触发。严格来说，这个阈值是有一定滞回的，在稍微好点的示波器中，滞回电压也是可调的。
正因为有触发系统，周期性波形才能稳定地在屏幕上展示。例如，对于没有直流分量的正弦波，触发设置为上升沿、阈值0 V，则触发时刻都是正弦波相位为0的时刻，每一次捕获的都是相同的波形。
示波器捕获一帧以后，需要一段时间处理数据、显示等工作，但这段时间远小于屏幕显示一帧的时间，典型值为1/60秒。事实上，在屏幕显示一帧的时间里，示波器可以捕获数以万计的波形，然后把它们叠加显示出来，这种功能称为数字荧光，详见E谷杯仪表赛道——数字荧光示波器。
边沿触发是最常用的触发类型，但有时边沿触发不能区分正常信号和异常信号。例如上面链接引文中，在高脉冲中夹杂偶发的矮脉冲，可以用欠幅触发捕获；又比如，单片机程序中进入中断时置某引脚为高电平，退出时置为低电平，从而脉宽代表ISR执行时间，你可以用脉宽触发筛选出感兴趣的事例，如过长或过段的ISR执行时间。还有很多其他的触发类型，可以参阅你使用的示波器的说明书。
示波器一般会提供至少三种触发模式：单次触发、正常触发和连续触发。单次触发是指触发一次以后直接在屏幕上显示这一帧波形，此时数字荧光没有意义。正常触发是指触发一次以后不停止采样，而是继续等待下一次触发。这和连续触发有什么区别呢？区别在于当长时间没有触发时，自动触发会自己产生一个触发信号，把采集的波形显示出来，即使它不符合触发条件，而正常触发会一直等。例如，输入信号为0V，边沿触发阈值为1V，正常触发下将不会有波形显示，而自动触发会显示0V波形。
探头的一端是探针和接地夹，另一端是BNC，探针上可以安装一个钩子，如果信号引到排针上用钩子会比较方便，而要直接观察一个芯片引脚的电压则需要拔掉钩子直接用探针。接地夹接到大地，与信号源的地相同，不同通道的地也是全部短路的。因此，不能认为示波器观察的是探针和接地夹之间的电势差，把它当成差分探头来用。
我们建议地就是地，不要把地当作一个地以外的参考。假如说，你正在做一个单片机混合信号项目，直流电源单3.3 V供电，为了方便在板上用运放缓冲了一个1.65 V电压，把它当作整个板的参考。你可以把信号源的黑色鳄鱼夹和示波器的接地夹都接到这个参考上，但我并不建议你这么做。你的板子大概率要接电脑，而如果你的电脑是台式，或者是由接到三孔插座的适配器供电的笔记本，那么USB的地就会接到大地，导致参考对地短路。这种应用场景应当利用好信号源的直流偏置功能，以及示波器的交流耦合功能，而把地还给地。
实验室中常见的探头有两种，一种是可以1x、10x切换的，一种是固定10x的。什么是10x（10倍）？是指探头可以把信号放大10倍吗？不是，是探头会把信号衰减10倍。对于1x探头，探头上的电压是多少，进入示波器的电压就是多少；而对于10x探头，进入示波器的电压是探头上电压的十分之一，这就意味着，要在屏幕上反映出正确的电压，示波器的软件必须把读到的电压乘10。所有示波器都有探头选项，当你选择1:10时，就是在告诉它，要把读到的电压乘10，以抵消探头衰减10倍。
那么，为什么要衰减10倍呢，直接送进去读不好吗？这是因为10x档下的带宽更高，而1x档下带宽通常只有6或10 MHz。1x带宽低是因为线缆和示波器输入端的电容直接接到了探头上，与信号源内阻形成低通滤波，而10x给该输入阻抗串联了一个阻抗，我们知道电容串联是变小的，因此可以实现更高带宽，一般都在100 MHz以上。无源探头带宽的上限一般也就500 MHz，GHz及以上的就需要有源探头了。
示波器的输入阻抗可选为1 MΩ和50 Ω，这里我们不讨论50 Ω模式。所谓10倍衰减，其实就是在探头内串联了9 MΩ的电阻，从而分压到1 MΩ上只剩十分之一。然而，这个1 MΩ还并联了一个寄生电容，其典型值为20 pF，若9//1 MΩ直接和它形成低通，则带宽会远远低于1x探头的带宽。事实上，这个9 MΩ上还并联了一个电容，两组RC时间常数保持一致，从而在很宽的频段内都是10倍衰减。
要保持两组RC时间常数一致并不容易。电容往往具有温度特性，温度改变时电容也会改变，而更致命的是不同示波器的输入电容，甚至同一台示波器的不同通道的输入电容都不尽相同，这使得探头不能通用。事实上，具有10x档的探头上都会有一个可调电容，通过调节它，可以让两组RC时间常数相等，这个过程称为探头补偿。
怎么知道是否相等？示波器都会提供一个探头补偿信号，它是一定幅度的1 kHz方波。探头接到该信号上，示波器幕会展示它读到的波形，根据电容大小，它会展现出低通或者过冲的特征，分别称为欠补偿和过补偿。此时，应当用螺丝刀调节探头上的补偿电容，让屏幕上的方波变方，即完成了探头补偿。
当探头换到另一个通道或另一台示波器上，建议重新调节探头补偿。就公共实验室而言，我的建议是在开始使用示波器前也要进行探头补偿。当然，1x档下不用考虑探头补偿，但是这样的带宽对于典型的32位机的GPIO都已经不够用了。
有时探头或者信号源的线不够用了，也能互换使用一下。信号源的线，BNC转一对鳄鱼夹，可以当作1x探头；1x档的探头也可以用作信号源输出，但是固定10x的探头，由于串联了9 MΩ内阻，肯定是不行的。

■ 万用表
与示波器不同，万用表是隔离的，黑表笔不接大地。当然，各表笔相对地的电势是有限制的，只不过这个限制我们没有条件去碰到，所以也不太关心。在高压档位下，把表笔直接往插座里怼都是安全的，前提是手别碰表笔头。
在电子开发中，我们不太用万用表测电流，因为接线不是很方便。用万用表测直流电压时，它显示的是该电压在一定低通滤波下的平均值。有时，问题的根源在于电压的变化，万用表往往不能指示这一点，此时应当使用示波器观察信号。万用表的交流电压档也不适合观察这类信号，因为它的频率响应是有限的，一般都比较低，仍然应该使用示波器。

■ 总结
以上是对四种实验仪器的基本模型的介绍。知道信号源的内阻，知道哪些仪器接地,哪些隔离，知道示波器的触发类型和触发模式，会根据信号和测量需求，设置合适的触发边沿和触发电平，就算是学会了实验仪器的基本使用方法了。
具体到某个型号，这些功能如何调出，如何切换，不在本文的范围内。一般来说，一台UI设计良好的仪器，常用功能都是可以直接使用，或者进入一个并不复杂、并不深层次的菜单就能获得的。实在找不到某个功能的时候，可以到厂家官网下载对应的手册查阅。