? 100個示波器基礎知識問答-杭州遠方光電信息股份有限公司

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        100個示波器基礎知識問答

        2021-07-09587

        1. 對一個已設計完成的產品,如何用示波器經行檢測分析其可靠性?

        答:示波器早已成為檢測電子線路最有效的工具之一,通過觀察線路關鍵節點的電壓電流波形可以直觀地檢查線路工作是否正常,驗證設計是否恰當。這對提高可靠性極有幫助。當然對波形的正確分析判斷有賴于工程師自身的經驗。


        2. 決定示波器探頭價格的主要因素是什么?

        答:示波器的探頭有非常多的種類,不同的性能,比如高壓,差分,有源高速探頭等等,價格也從幾百人民幣到接近一萬美元。價格的主要決定因素當然是帶寬和功能。探頭是示波器接觸電路的部分,好的探頭可以提供測試需要的保真度。為做到這一點,即使無源探頭,內部也必須有非常多的無源器件補償電路(RC 網絡)。


        3. 一般的安捷倫示波器探頭的使用壽命有多長時間?探頭需不需要定期的標定?

        答:示波器的探頭壽命不好說,取決于使用環境和方法。標準對于探頭沒有明確的計量規定,但是對于無源探頭,至少在更換探頭,探頭交換通道的時候,必須進行探頭補償調整。所有有源探頭在使用前應該有至少 20 分鐘的預熱,有的有源探頭和電流探頭需要進行零點漂移調整。


        4. 什么是示波器的實時采樣率?

        答:實時采樣率是指示波器一次采集(一次觸發)采樣間隔的倒數。據了解,目前業界的最高水平是四個通道同時使用。


        5. 什么是示波器的等效時間采樣?

        答:等效時間采樣指的是示波器把多次采集(多次觸發)采集到的波形拼湊成一個波形,每次采樣速率可能很慢,兩次采集觸發點有一定的偏移,最后形成的兩個點間的最小采樣間隔的倒數稱為等效采樣速率。其指標可以達到很高,如 1ps。


        6. 什么是功率因數?如何如何測量?

        答:功率因數:在直流電路里,電壓乘電流就是有功功率。但在交流電路里,電壓乘電流是視在功率,而能起到作功的一部分功率(即有功功率)將小于視在功率。有功功率與視在功率之比叫做功率因數,以 COSΦ表示,其實最簡單的測量方式就是測量電壓與電流之間的相位差,得出的結果就是功率因數。


        7. 如何表達和測試功率密度?

        答:功率密度就是單位體積里的功率,一般電源里用 W/in3。


        8.有無辦法利用示波器測出高頻變壓器或電感磁芯的工作情況?

        答:TEK 推出的功率測試方案里就有一項功能——B-H 曲線的分析,它能反應磁芯的工作狀態,還能測出動態電感值,并得出磁芯損耗。


        9. 開關電源的噪聲有多種如布線不合理引起的交叉干擾、電感漏磁、二極管反向尖峰...等引起噪聲 ,如何用示波器鑒別?

        答:TEK 的 TDS5000 示波器上有頻域分析、分析噪聲的頻率段就能分析出噪聲的種類,才好用相應的處理方法。示波器只能提供數據分析和波段形顯示。


        10. 用力科示波器怎樣可以測試到開頭電源的幅射?

        答:開關電源存在幅射干擾,一般做法是設法探出干擾源,然后再去屏蔽它。用示波器可以傅立葉變換的功能分析其頻率成份構成,根據頻率范圍,從而判斷干擾的種類。


        11. 在反激式電源設計過程當中,經常會因為變壓器漏感大,而使變壓器的轉換效率降低,繞制時采用初級中間夾繞次級的方式仍然不大理想。變壓器繞制有什么技巧嗎?

        答:將大功率的輸出繞組繞在里面,盡量靠近原邊,加強偶合。


        12. 有沒有能分析開關損耗的示波器?

        答:泰克的電源測試系統即 TDS5000 系列數字熒光示波器加上 TDSPWR2 功率分析軟件就可以輕松的分析開關損耗以及每周期的功率損耗甚至包括 RDS ON。


        13. 示波器能否進行傅立葉分解?

        答:現代數字示波器大多具有 FFT 功能,其中上述系統甚至可以按 EN61000-3-2 標準對電流諧波進行預測試。


        14. 示波器能否進行濾波處理?如對 PWM 波進行低通濾波?

        答:TDS5000 可以進行 20MHz,150MHz 低通濾波,還可以進行一種稱之為高分辨率采集的數字低通濾波,在此種模式中采樣點的垂直分辨率可從 8bits 提高到 12bits,上述系統可以輸出像比如 PWM 這樣的信號按照脈寬變化的趨勢的類似正弦波波形。


        15. 使用數字示波器時,對 B 觸發和觸發電平的設置與被測信號有什么原則?

        答:泰克的示波器支持 A,B trigger 功能,簡單說就是可以雙事件序列觸發,當選擇 A-B seq 時,A事件作為主觸發,配合 B 事件捕獲復雜的波形。觸發方法為 A 事件 arm 觸發系統,當定義的 B 事件出現時在 B 事件處觸發。具體詳細的觸發說明,請參考示波器的手冊。


        16. 如何用 TDS3052B 測量載波頻率為幾十 K,調制波頻率為電源頻率的已調波的最大值?

        答:工頻輸入可能為低頻的 50Hz/60Hz,同時載波為幾十 K,一個工頻周期為 20ms 左右,如果示波器需要觀測 20ms 信號,即示波器的 duration 采集窗口至少為 2ms/div ×10 格,同時根據幾十 k 的載波信號,確定示波器的采樣率。最后可以估算出需要的采集內存長度,判斷是否能夠滿足測試要求。


        17. 使用一臺標稱 100MHz 的 DSO 示波器,測量一個高頻開關幅值 400V,f=50M,示波器如何描繪出它的波形和上升時間?

        答:

        ① 示波器的帶寬是以正弦波幅度衰減-3dB 點為帶寬定義的。

        ② 數字示波器中對于波形和上升時間的描繪都是通過實時采樣電路和高速 A/D 變換器獲得波形數據,再通過插值運算得到的。

        ③ 在泰克的示波器中,有實時的處理電路完成所謂的正弦內插功能,在信號采集電路部分完成。當然,很多示波器也是通過示波器的主處理器進行數學運算完成的,這個時候會花比較多的時間。

        ④ 對于您測量的信號,恐怕使用 100MHz 的示波器是無法進行。50MHz 的方波,理論上應該使用450MHz 以上的示波器才能將信號中最重要的 9 次以下諧波準確重新,從而保證波形不失真。更何況,您恐怕還要考慮信號上升時間的問題,理論上,示波器的上升時間應該比信號快 5 倍以上。

        ⑤ 探頭也一樣,由于普通探頭在測量高壓的時候會產生高頻失真的效應,您應該采用特別的差分探頭或者高壓探頭比如,泰克的 P5205,P5100 進行測量。


        18. 如何在模擬電路用好數字示波器,比如測音頻放大器的小信號,電源的雜波等?

        答:要注意的問題有:

        ① 示波器的接地問題,示波器的機殼和探頭的參考地線都是連接地線的,因此良好的接地是測量干擾的首要條件。

        ② 示波器參考地線引入的干擾問題,由于普通探頭通常都有一段接地線,會與待測點構成一個類似環形天線的干擾路徑,引入比較大的干擾,因此要盡量減少這一干擾,可以采用的方法是將探頭帽拿掉,不使用探頭上引

        地線,而直接使用探頭尖端和探頭內的地點接觸待測點進行測量。

        ③ 使用差分測量的方法,消除共模噪聲。泰克提供一系列的差分探頭,比如專門針對小信號的ADA400A 可以測量到幾百微伏,用于高速信號測量的 P7350 提供高達 5GHz 的帶寬。

        ④ 在泰克的很多示波器里提供高分辨率采集(Hi-Res)的信號捕獲模式,可以過濾信號上疊加的隨機噪聲。


        19. 在測量離板信號線的傳導騷擾時,發現在兩個特定頻點(一個是 659K 另一個是 1.977K)上由兩個很大的噪聲信號。初步分析是由于板上的開關電源芯片引起的,如何使用示波器測量這樣的噪聲信號?

        答:示波器可以測試噪聲信號有幾個考慮的因素:

        ① 被測信號的幅度,是否為小信號, 示波器配合探頭可以測試 uA?級的信號。

        ② 被測信號的頻率。

        ③ 探頭的連接方式不當會產生噪聲,影響測試結果。


        20. 在用泰克的示波器時,如何理解 Holdoff 這個參數?

        答:Holdoff(觸發釋抑)的含義是暫時將示波器的觸發電路封閉一段時間(即釋抑時間),在這段時間內,即使有滿足觸發條件的信號波形點示波器也不會觸發。在數字示波器中也會用百分比來表示,意義是整個記錄長度或者整個屏幕的百分比。

        示波器的觸發部分的作用就是穩定的顯示波形,觸發釋抑也是為了穩定顯示波形而設置的功能。主要針對大周期重復而在大周期內有很多滿足觸發條件的不重復的波形點而專門設置的。比如圖中所示,圖中紅色的點都可以滿足觸發條件,如果不用釋抑功能,觸發點將不固定,造成顯示不穩定,使用觸發釋抑后,每次都在同一個點觸發,因此可以穩定顯示。

        此外,對于調幅信號等也一樣要使用觸發釋抑。詳情請參見泰克文章《示波器 XYZ》。


        21. 關于 holdoff,所謂觸發與非觸發,示波器對采集信號的處理有什么區別?

        答:對于數字示波器,不論是否觸發,示波器實際上都是在不斷地采集波形,但是如果只有穩定的觸發才能有穩定的顯示。也會出現這種狀況,示波器觸發電路的模式出于“自動”模式,即不論是否滿足觸發條件都進行波形顯示。如果使用“通?!盢ormal 模式,不滿足觸發條件就不會顯示波形。


        22. 關于 holdoff,如果在水平時間分辨率不變的前提下,是否百分比設置越大(對應信號顯示逐漸穩定)那么就意味著信號的周期越長?

        答:是的,百分比越大,釋抑時間越長。


        23. 如何使用示波器測量差分信號?

        答:最好的方法是選用差分探頭,這時測到的信號最為真實客觀;若沒有差分探頭,可使用兩個差分探頭接到示波器的兩個通道上(如 Ch1, Ch2),然后用數學 運算,得到 ch1-ch2 的波形并進行分析,這時盡量保持兩根探頭完全一樣,示波器兩個通道的 Vertical scale ( 每格多少伏)設置一樣,否則,誤差會較大。


        24. 怎樣用示波器測量出 USB 總線上的差分信號?

        答:USB 信號的測試分為 2 種情況:

        第一種是需要進行符合 USB 組織定義 USB1.1/2.0 總線的物理層測試規范,只有通過 USB 一致性測試后方可打上 USB 標識。USB 物理層一致性測試分為很多個測試項目,主要是考察 USB 信號的信號質量如何,象

        Signal Quality Test

        Droop & Drop Test

        Inrush Current Test

        HS Specific Tests

        Chirp Test

        Monotonic Test

        Receiver sensitivity Test

        Impedance Test (TDR) 等等。


        第二種情況是僅觀測 USB 總線上的信號,可以選擇合適的差分探頭連接到 D+, D-,直接進行 USB信號的觀測。USB2.0 信號速度比較快,上升時間為幾百皮秒,為了保證信號的包真度測試,需要選擇大于 2GHz 的示波器和差分探頭進行測試。


        25. PCB 板上的高速信號特征:XAUI 接口 3.125GBd 串行差分信號:60ps,請問需要多高帶寬的示波器才能精確測量?測量誤差可達多少?

        答:對 XAUI 接口 3.125GBd 串行差分信號,聽起來有點象 InfiniBand 信號,用正弦內插的方式,或類似等效采樣的方式來采集,但由于本身帶寬和觸發抖動等因素,在其測量 100ps ~ 130ps 范圍內的上升時間時,采用 7GHz 差分探頭可保證誤差<3%,對于< 80ps 的上升時間測量,其誤差會大于 10%, 雖然這已經是實時示波器中最好的方案,單就上升時間測量而言,最精確的方案是安捷倫的網絡分析儀(需配上物理層分析軟件),因為其帶寬可高達 50GHz。


        26. 對時鐘的相位噪聲參數的要求很高的設計,需要考慮哪些關鍵性的問題來降低相位噪聲?

        答:在 ADC,DAC 的器件中衡量性能有很多項指標:象位數、轉換速度、DC 精度、開關性能、動態性能(SNR, SINAD,IMD)等等。


        27. 對時鐘的相位噪聲參數的要求很高的設計,怎樣測量相位噪聲?

        答:從示波器的角度來看,可以測試 ADC,DAC 的模擬和數字信號的幅度,時間,轉換后的信號質量,轉換速度,時鐘和數據的建立/保持時間等參數,還可以通過 TDS 示波器中的高級運算功能(頻譜分析功能)來定性測量 SNR,SINAD 等參數。


        28. 由于可能需要引入外界的時鐘,這樣時鐘存在 2 選 1 的問題,此時用什么方案才能使相位噪聲的惡化最???

        答:首先要分析抖動產生的來源,示波器來分析抖動是一個很好的工具,目前可以使用TDS5000B/6000B/7000B系列示波器配合抖動分析軟件進行徹底抖動分析,象確定抖動(Dj),隨機抖動(Rj),Rj 和 Dj 的分離,最后通過分析造成抖動的原因來消除抖動。


        29. 在示波器上看波形時,用外觸發和自觸發來看有何區別?

        答:示波器的通常觸發是邊沿觸發,其觸發條件有 2 個,觸發電平和觸發邊沿;即:信號的上升沿(或者下降沿)達到某一特定電平(觸發電平)時,示波器觸發。示波器只有在信號自觸發有問題的時候才會使用外觸發,沒有哪一個更好的問題。而這種問題通??赡苁?,信號比較復雜, 有很多滿足觸發條件的點,無法每次在同一位置觸發,從而得到穩定的顯示。這時需要使用外觸發。舉例如下:觀測上面的信號,由于 ABCD 各點都會觸發,示波器顯示波形將不能穩定。這時可以使用下面的信號作為觸發信號,示波器將得到能夠全部周期的顯示。


        30. TDS3032B 的帶寬是 300MHz,采樣頻率為 2.5G/s,采樣頻率為帶寬的 8 倍。請問帶寬和采樣頻率之間有什么固定關系?我們也有一款其它廠家的示波器,如泰克示波器。帶寬 100MHz、采樣頻率只有 200MHz。為什么兩個示波器的帶寬采樣頻率比相差這么大?

        答:帶寬是示波器最重要的指標,因為在數字示波器中有 ADC,它的采樣率理論上需要滿足 Nyquist采樣定律,即被測信號的最高頻率信號的每個周期理論上至少需要采 2 個點,否則會造成混疊。但是在實際上還取決于很多其它的因素,比如波形的重構算法等。泰克示波器采用先進的波形重構算法,被測信號的每個周期只需要 2.5 個點就能夠重構波形。也有的示波器采用線性插值算法,可能就需要 10 個點。一般采樣率是帶寬的 4-5 倍就可以比較準確地再現波形。

        泰克的 TDS3000B 系列是“實時采樣”示波器,即,它的單次帶寬(捕獲單次信號的能力)=重復帶寬,您所說的另一種示波器的單次帶寬顯然不到 100MHz,您可以看一下它的指標。


        31. 示波器指標中的帶寬如何理解?

        答:帶寬是示波器的基本指標,和放大器帶寬的定義一樣,是所謂的-3dB 點,即,在示波器的輸入加正弦波,幅度衰減為實際幅度的 70.7%時的頻率點稱為帶寬。也就是說,使用 100MHz 帶寬的示波器測量 1V,100MHz 的正弦波,得到的幅度只有 0.707V。這還只是正弦波的情形。因此,我們在選擇示波器的時候,為達到一定的測量精度,應該選擇信號最高頻率 5 倍的帶寬。


        32. 測量系統的總帶寬如何獲得?

        答:測量系統的總帶寬=0.35/上升時間(1GHz 以下示波器)。


        33. 在帶寬一定的條件下,采樣頻率太大是否也沒有太大的意義?

        答:帶寬是限制被測信號高頻分量被捕獲的基本條件。使用泰克的示波器每個被測信號周期只需 2.5個點就能夠最大限度的重構波形。其它一些示波器需要大于 4 個樣點/周期,即 100MHZ 帶寬示波器單次采集至少需要 400MS/s 的采樣率,有些示波器甚至需要 10 個點(線性內插技術)才能保證采集信號有意義。


        34. 所謂高斯響應示波器和平坦響應示波器各有何優缺點和適合的領域?

        答:在示波器的規范中并沒有平坦相應和高斯相應的指標。在示波器中會出現類似的比較或探討,可能有如下原因:

        眾所周知,示波器是時域的儀器,從泰克發明第一臺可觸發的模擬示波器以來,示波器的帶寬一直是最重要的指標,它是指示波器內部的前置放大器的模擬帶寬。但是,示波器帶寬的定義卻是頻域的定義,即正弦波幅度衰減到-3dB 點時的頻率點。一個復雜高速信號含有豐富的頻譜分量,如果需要精確測量信號,必須知道它們的每一個頻譜分量的幅度和相位,所以示波器的幅頻特性和相頻特性非常重要。


        從最近幾年的發展來看,目前數字示波器的帶寬越做越高,從泰克 2000 年推出 TDS7000 4GHZ 帶寬示波器,2001 年推出 TDS6000 6GHZ 帶寬示波器, 2003 年推出 TDS7704B 7GHZ 帶寬示波器,到最近 TDS6804B 8GHZ 帶寬示波器,帶寬幾乎每年都在提升。當示波器帶寬到達幾個 GHZ 時,前置放大器作為模擬器件,保證良好的幅頻和相頻特性越來越難,泰克是掌握這一最關鍵技術的唯一公司。有些廠商無法做到,就不得不采用其它的一些方法來修補模擬器件帶寬的不足,獲得更高的帶寬,頻響曲線自然發生變化。


        隨著目前各種高速信號越來越多,信號速率越來越快,對實時示波器提出了新的要求,示波器廠商的數字示波器中也出現了一些新的技術,最顯著的是示波器通過數字信號處理技術(DSP)來得到更好的性能。DSP 就在數字示

        波器主要應用包括:

        • 增強帶寬

        • 更快的上升時間

        • 增益和波形校準與改善

        • 幅度和相位的改善

        • 光參考接收機歸一化


        其中泰克的第三代示波器(DPO)就是 DSP 技術的最好體現。合理的利用 DSP 可以提升示波器測試的信號保真度。但是,DSP 技術的使用會是每一個示波器的使用者產生迷惑,特別是在“帶寬是否可以通過 DSP 可以提升”,“示波器的帶寬是模擬帶寬,和 DSP 技術有何關系”,“當前的示波器帶寬到底是模擬帶寬還是 DSP 帶寬?”“DSP 技術帶來的負面效應是什么?” 在泰克最新的 TDS6804B 8GHZ 帶寬的示波器中的模擬帶寬是 7GHZ,通過 DSP 增強后的帶寬是8GHZ,為了保證每一個測試人員對這兩種方式的理解,在 TDS6804B 中可以打開和關閉 DSP 的帶寬增強功能。泰克將 DSP 增強帶寬帶來的優點和問題告訴每一個測試人員,幫助測試人員理解模擬帶寬和 DSP增強帶寬的測試結果,更好的進行高速信號測試。


        35. 除高斯響應示波器和平坦響應示波器之外,還有基于其它響應的示波器嗎?

        答:示波器前置放大器的頻響特性是決定測試結果的最關鍵因素,它由模擬器件決定。關鍵在于用何種方法來獲得足夠的頻響。


        36. 以前在用 TDS744,TDS745 等示波器時,使用的是無源探頭(如 P6139A,帶寬 500M)。在購買了有源探頭(P6237)之后, 從測試波形來看(特別是測高頻信號時),兩者的測試結果差異較大. 從探頭參數得知, 有源探頭的輸入電容<1pF,而無源探頭則為 10pF 左右. 這樣看來應該是有源探頭的測試結果更能反映信號真實的情況. 既然無源探頭對高頻信號衰減很大, 那么 500M 的帶寬有什么意義呢? 如何根據測試情況來選擇使用有源或無源探頭?

        答:您的 P6139A 探頭加上泰克的 500MHz 示波器典型帶寬值還是可以達到 500MHz,但是正如您所說,其輸入電容不同,這一電容將產生對于待測信號的負載效應,造成信號振鈴,形狀發生改變,因此這個時候使用有源探頭


        時能反映信號的真實情況。實際上,使用探頭不光要考慮帶寬,所有這些因素我們在測量高頻信號的時候都要考慮:

        • 帶寬/上升時間

        • 動態范圍

        • 負載效應

        • 接地效應

        • 共振效應


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