測試測量關(guān)鍵基礎(chǔ)之示波器（二）

　　在電源中有許多很容易耦合到探針中的高速的、大電壓和電流信號波形，其中包括來自功率變壓器的磁場耦合、來自開關(guān)節(jié)點的電場耦合、以及由變壓器交繞（interwinding）電容產(chǎn)生的共模電流。

　　圖1：不當(dāng)?shù)募y波測量得到糟糕的結(jié)果。

　　采用正確的測量技術(shù)可切實改善紋波測量的結(jié)果。首先，通常會規(guī)定紋波的帶寬上限，以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲，應(yīng)該給用于測量的示波器設(shè)定合適的帶寬上限。其次，可以通過摘掉探針的“帽子”來去掉接地長引線形成的天線。如圖2所示，我們把一段短線繞在探針接地引線周圍，并使之與電源地相連接。這樣做附帶的好處是縮短暴露在電源附近高強度電磁輻射中的探針長度，從而進一步減少高頻拾取。

　　最后，在隔離電源中，真正的共模電流是由在探針接地引線中流動的電流產(chǎn)生的，這就使得在電源地和示波器地之間產(chǎn)生電壓降，表現(xiàn)為紋波。要抑制這個紋波，需要在電源設(shè)計中仔細考慮共模濾波問題。

　　此外，把把示波器引線繞在鐵芯上可減小這個電流，因為這樣會形成一個不影響差分電壓測量、但可降低由共模電流產(chǎn)生的測量誤差的共模電感。圖2顯示了采用改進測量技術(shù)對同一電路得到的紋波電壓測量結(jié)果?？梢钥吹?，高頻尖刺已幾乎消除。

　　圖2：四種簡單改進極大地改善了測量結(jié)果。

　　事實上，當(dāng)電源集成到系統(tǒng)中之后，電源紋波性能甚至?xí)?。在電源和系統(tǒng)其它部分之間幾乎總會存在一定量的電感。電感可能是由導(dǎo)線或在印刷線路板上的蝕刻線形成的，而在芯片附近總會有作為電源負載的附加旁路電容，這兩者形成低通濾波效應(yīng)并進一步降低電源紋波和/或高頻噪聲。

　　舉一個極端的例子，由電感量為15nH的長一英寸的短線和電容量10μF的旁路電容構(gòu)成的濾波器，其截止頻率為400kHz。該實例意味著能大幅減少高頻噪聲。該濾波器的截止頻率比電源紋波頻率低很多倍，可以切實降低紋波。聰明的工程師應(yīng)該在測試過程中設(shè)法利用它。

　　二、示波器觸發(fā)原理及有效使用方法

　　本文的目的在于幫助工程師了解觸發(fā)的基本原理以及有效使用觸發(fā)的策略。

　　什么是觸發(fā)？

　　任何示波器的存儲器都是有限的，因此所有示波器都必須使用觸發(fā)。觸發(fā)是示波器應(yīng)該發(fā)現(xiàn)的用戶感興趣的事件。換句話說，它是用戶想要在波形中尋找的東西。觸發(fā)可以是一個事件（即波形中的問題），但不是所有的觸發(fā)都是事件。觸發(fā)實例包括邊沿觸發(fā)、毛刺信號觸發(fā)和數(shù)字碼型觸發(fā)。

　　示波器必須使用觸發(fā)的原因在于其存儲器的容量有限。例如，Agilent 90000 系列示波器具有 20 億采樣的存儲器深度。但是，即便擁有如此大容量的存儲器，示波器仍需要一些事件來區(qū)分哪 20 億個采樣需要顯示給用戶。盡管 20 億的采樣聽起來似乎非常龐大，但這仍不足以確保示波器存儲器能夠捕獲到感興趣的事件。

　　示波器的存儲器可視為一個傳送帶。無論什么時候進行新的采樣，采樣都會存儲到存儲器中。存儲器存滿時，最舊的采樣就會被刪除，以便保存最新采樣。當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時，示波器就會捕獲足夠的采樣，以將觸發(fā)事件存儲在存儲器要求的位置（通常是在中間），然后將這些數(shù)據(jù)顯示給用戶。

　　重復(fù)采樣模式與單次采樣模式

　　過去，最常見的示波器運行模式是重復(fù)模式。這意味著一旦示波器觸發(fā)并將數(shù)據(jù)顯示給用戶，它將立即開始搜索下一個觸發(fā)事件。這就是示波器波形更新如此頻繁的原因。

　　任何一款示波器要想進行觸發(fā)并將數(shù)據(jù)顯示給用戶，都需要時間來重新準(zhǔn)備觸發(fā)。這個時間也稱為“掛起時間”。在掛起時間內(nèi)，示波器不能捕獲任何波形。因此，掛起時間越短，錯失的事件越少。例如，如果有一個毛刺信號恰巧在掛起時間內(nèi)出現(xiàn)，那么它將不能在示波器的顯示屏上顯示。如果這個毛刺信號是一個罕見事件，則用戶可能認為波形中沒有毛刺信號，而事實上它卻是存在的。因此，示波器的掛起時間越短，錯失波形中重要事件的幾率就越低。

　　表述此概念的另一種方法是“更新速率”，即每秒鐘的波形數(shù)量。例如，Agilent 7000 系列示波器具有 100000 波形/秒的更新速率。

　　單次采樣模式用于查找單一觸發(fā)，而不會繼續(xù)采集更多波形。因此，當(dāng)用戶想要查找某個事件，檢查導(dǎo)致該事件的原因和事件發(fā)生后所出現(xiàn)的問題時，便可使用單次采樣模式。這種模式對于分析不重復(fù)并且每次操作都會發(fā)生變化的波形尤其重要。

　　自動模式與觸發(fā)模式

　　如果沒有發(fā)生觸發(fā)事件，將會出現(xiàn)什么情況呢？這一個非常好的問題。在這種情況下，屏幕上的波形將不會更新。這不是我們想要的情況，因為用戶可能不知道如何改變觸發(fā)來獲得屏幕上的波形。例如，如果探頭滑落，示波器將可能停止觸發(fā)。不過，如果屏幕不能更新，信號丟失將很不明顯。

　　為了解決這個問題，示波器擁有一個稱為“自動（Auto）”觸發(fā)的模式。在此模式下，如果在一段時間內(nèi)無法找到觸發(fā)，示波器將自動觸發(fā)以更新屏幕。通常，示波器上有一些指示器（例如前面板上的 LED）來指示上一個觸發(fā)是真實觸發(fā)還是自動觸發(fā)。這樣，如果用戶看到“自動（Auto）”指示器，他們就會知道所設(shè)置的觸發(fā)沒有發(fā)生。例如，如果用戶設(shè)置的觸發(fā)為毛刺信號，他們將會知道示波器沒有檢測出毛刺信號。

　　然而，當(dāng)您回顧上一段的內(nèi)容時就會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自動觸發(fā)發(fā)生時，它就意味著每次觸發(fā)之后，示波器進行重新準(zhǔn)備時具有掛起時間。為了完全避免這一時間，示波器應(yīng)改為“觸發(fā)（triggered）”模式。（這在某些示波器中稱為“正常”模式）。在“觸發(fā)（triggered）”模式中，除非發(fā)現(xiàn)觸發(fā)事件，否則示波器將不會進行觸發(fā)。因此，如果用戶將觸發(fā)模式設(shè)置為毛刺信號并且示波器一直沒有進行觸發(fā)，那么用戶就可以確信毛刺信號沒有發(fā)生（至少示波器能夠檢測出）。

　　三、示波器死區(qū)時間和波形捕獲率對測量結(jié)果的影響

　　發(fā)展到今天，傳統(tǒng)的模擬示波器已經(jīng)漸漸淡出了人們的視野，數(shù)字示波器幾乎已經(jīng)取代模擬示波器成為硬件工程師手中電路調(diào)試的最常用的一種儀器設(shè)備了。你是否覺得示波器提供給了被測信號的所有信息呢？事實上，示波器在大部分時間都處在一個無法檢測信號的無信號狀態(tài)，通常把這段丟失信號的時間稱為死區(qū)時間。

　　什么是死區(qū)時間

　　要想了解死區(qū)時間的來源，需要先對數(shù)字示波器的結(jié)構(gòu)有一個基本的了解。數(shù)字示波器的典型組成框圖如圖1、圖2所示。

　　圖1：傳統(tǒng)數(shù)字示波器組成框圖。

　　圖2：R&S公司RTO系列示波器組成框圖。

　　被測信號通過輸入通道進入示波器，并通過垂直系統(tǒng)中的衰減器和放大器加以調(diào)節(jié)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）按照固定的時間間隔對信號進行采樣，并將各個信號振幅轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字值，稱為“樣本點”。采集模塊隨后則執(zhí)行處理功能，例如樣本抽取，默認一般都為采樣模式。輸出數(shù)據(jù)作為樣本點（samples）存儲在采集存儲器中。存儲的樣點數(shù)目用戶可以通過記錄長度進行設(shè)置。