2019年11月13日 | 示波器基础（续）

6 波形参数测量

图8  示波器Vtop和Vbase参数的测量

 

图9  幅度/最大值/最小值/峰峰值的测量

 

    示波器可测试的电压参数很多，比较重要的有：最大值、最小值、峰峰值（定义为最大值减去最小值）、幅度值（定义为Vtop减去Vbase），有效值，过冲等。

    过冲定义为下图右上角公式，指的是高出Vtop或低于Vbase的部分与幅度的比值，取百分比。

 

 

图10  过冲的测量

 

     示波器可测试的时间参数很多，比较重要的有：上升时间/下降时间，周期，脉冲宽度（正脉冲宽度/负脉冲宽度）等等。最近示波器又增加了针对Burst信号的测量，包括：Burst 宽度，Burst 周期，

图11  上升时间/下降时间的测量

 

 

图12  Burst宽度的测量

 

    频率的测量是基于周期的测量，然后做倒数运算而来。占空比的测量也是基于脉宽和周期的测量，然后运算而来（公式如下图右上角）。

 

 

图13  周期/频率/脉宽/占空比的测量

 

    多通道的多个信号关系的测量也是关键的时间参数测量，包括：时间差（2个通道边沿的时间偏差，可以是上升沿或下降沿），相位（时间差与周期之比，乘以360°），建立时间和保持时间（相对于时钟的上升沿或下降沿，数据信号的建立时间或保持时间）等。

    这些参数测量前需要进行通道时间偏差校准，即把两个通道连接到同一个信号，手动做时间偏差校准（即Deskew）。

 

 

图14  时间差/相位，建立时间和保持时间的测量

 

 

7 示波器探头技术

    示波器因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围，使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路，如下图：

图15 示波器的探头

    探头的选择和使用需要考虑如下两个方面：

     其一：因为探头有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路；

     其二：探头是整个示波器测量系统的一部分，会直接影响仪器的信号保真度和测试结果。

 

图16  示波器探头的负载效应

 

    阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻，对被测信号有分压的作用，影响被测信号的幅度和直流偏置。有时，加上探头时，有故障的电路可能变得正常了。一般推荐探头的电阻R>10倍被测源电阻，以维持小于10%的幅度误差。

 

图17 示波器探头的阻性负载效应

 

    容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容，对被测信号有滤波的作用，影响被测信号的上升下降时间，影响传输延迟，影响传输互连通道的带宽。有时，加上探头时，有故障的电路变得正常了，这个电容效应起到了关键的作用。一般推荐使用电容负载尽量小的探头，以减小对被测信号边沿的影响。

 

 

图18  示波器探头的容性负载效应

 

    感性负载来源于探头地线的电感效应，这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振，从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃，需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃，检查确认的方法是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的地线，一般地线电感=1nH/mm。

 

图19  示波器探头的感性负载效应

 

 

 

    低阻电阻分压探头具备较低的电容负载（<1pf)，较高的带宽（>1.5GHz），较低的价格，但是电阻负载非常大，一般只有500ohm或1Kohm，所以只适合测试低源阻抗的电路，或只关注时间参数测试的电路。

 

 

图20 低阻电阻分压探头结构原理

 

    带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头，一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻（一般1Mohm以上），可调的补偿电容，以匹配示波器的输入，具备较高的动态范围，可以测试较大幅度的信号（几十幅以上），价格也较低。但是不知之处是输入电容过大（一般10pf以上），带宽较低（一般500MHz以内）。

 

 

图21  带补偿的高阻无源探头结构原理

 

    带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容，当接上示波器时，一般需要调整电容值（需要使用探头自带的小螺丝刀来调整，调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置），以与示波器输入电容匹配，以消除低频或高频增益。下图的左边是存在高频或低频增益，调整后的补偿信号显示波形如下图的右边所示。

 

 

图22 带补偿的高阻无源探头补偿校准原理和方法

 

    高压探头是带补偿的无源探头的基础上，增大输入电阻，使得衰减加大（如：100:1或1000:1等)。因为需要使用耐高压的元器件，所以高压探头一般物理尺寸较大。

 

图23  单端有源探头结构原理

 

    差分探头结构图如下，使用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分探头的输入阻抗较高（一般达50Kohm以上），而输入电容较小（一般小于1pf)，通过差分探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用50ohm 输入阻抗。差分探头带宽非常宽（现在可达30GHz），负载非常小，具有较高共模抑制比，但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10% 左右)，动态范围也较小（这个需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试。一般动态范围3V左右），比较脆弱，使用需小心。

    差分探头适合测试高速差分信号（测试时不用接地），适合放大器测试，电源测试，适合虚地测试等应用。

 

 

图24  差分探头结构原理

 

    电流探头也是有源探头，利用霍尔传感器和感应线圈实现直流和交流电流的测量。电流探头把电流信号转换成电压信号，示波器采集电压信号，再显示成电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流，使用时需要引出电流线（电流探头是把导线夹在中间进行测试的，不会影响被测电路）。

    电流探头在测试直流和低频交流时的工作原理：

    当电流钳闭合，把一通有电流的导体围在中心时，响应地会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电动势。电流探头根据这个电动势产生一个反向（补偿）电流送至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，以防止饱和。电流探头根据反向电流测得实际的电流值。用这个方法，能够非常线性的测量大电流，包括交直流混合的电流。

 

8 采样示波器原理

   采样示波器也是非常常用的电子仪器，有四大功能：

      1）  高带宽示波器功能；

      2）  时域反射计TDR功能；

      3）  光眼图分析仪功能；

      4）  抖动分析仪功能。

    采样示波器是高精度测试仪器，仪器结构原理图如图25所示。

图25   采样示波器结构框图

    采样示波器由两部分组成，主机和插拔模块。主机包括ADC转换器，数据存储器，触发器和顺序延时产生器。ADC转换器的指标通常是转换位数14bits，转换速率20KSa/s。这么低的转换速率为何能够测量高速的光或电信号（比如10Gbps的数字信号)？

    秘诀就在模块，模块由3部分组成：

      1）  采样头

      2）  中频放大器

      3）  脉冲滤波器

    采样头把高速信号变成短时间的直流信号，通过中频放大后，让主机的ADC进行数字化。而每个短时间的直流信号数据组合在一起，就变成了能够显示在屏幕上的波形，波形的时间信息通过数学运算显示为真实信号的时间信息。所以采样示波器只能够测试重复或半重复的信号（象LVDS就属于半重复的信号，按参考时钟或内嵌时钟重复，示波器屏幕上观察到的是眼图。如果LVDS码型重复的话，也可以观察到每个位波形，这时候需要使用PatternLock触发或帧头触发）。

    采样示波器的关键器件是采样头。也因为这样的结构，使得采样示波器的带宽可以做得非常高，比如模拟带宽高达90GHz以上，而且测试精度较高（因为ADC的位数达到14bits，频谱分析仪才有这样的采样性能）。影响精度的另一个关键部件是顺序延时产生器，它的延时精度直接影响波形时间精度。

参考文献

[1]孙灯亮 编著. 数字示波器原理和应用[M].上海：上海交通大学出版社.[2012].

[2]Agilent Technologies, Inc. 86100C Help Mannual[R/DK]. Santa Clara: Agilent Technologies, Inc.[2005].