測(cè)試測(cè)量關(guān)鍵基礎(chǔ)之示波器（一）

一、示波器不可不知的問(wèn)題

　　Q1: 在高速串行測(cè)試時(shí)，對(duì)測(cè)試所需示波器有什么樣的要求?哪幾個(gè)指標(biāo)是最關(guān)鍵的?

　　A: 基本來(lái)說(shuō)對(duì)帶寬和采樣率要滿足串行信號(hào)的要求，接下來(lái)就需要考察是否是差分信號(hào)，以及示波器對(duì)串行測(cè)試的分析功能，比如說(shuō)碼型的觸發(fā)和解碼等等。

　　Q2: 在測(cè)量高速數(shù)字信號(hào)時(shí)，示波器的帶寬是不是一定要是信號(hào)頻率的5倍以上?為什么?

　　A: 選擇示波器的帶寬，一般是被測(cè)信號(hào)的速率的2.5倍或信號(hào)最高頻率的5倍，這樣可以看到高速信號(hào)的5次諧波。

　　Q3: 測(cè)試時(shí)的帶寬是如何影響測(cè)試結(jié)果?對(duì)測(cè)試儀器的帶寬有何要求?

　　A: 首先，帶寬不足會(huì)損失掉信號(hào)的高頻諧波分量，導(dǎo)致時(shí)間和幅度測(cè)試的不準(zhǔn)確。然而即使帶寬相同的示波器會(huì)表現(xiàn)出不同的上升時(shí)間，對(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，測(cè)量上升沿上發(fā)生的錯(cuò)誤非常關(guān)鍵，另外在數(shù)據(jù)信號(hào)中，對(duì)眼圖的張開(kāi)度影響也很大。正因如此，上升時(shí)間指標(biāo)對(duì)在時(shí)域中執(zhí)行測(cè)量的設(shè)備(示波器)非常重要。

　　Q4: 帶寬是否越高越好?

　　A: 前面提到，目前廣泛使用的電路板、連接器、電纜和集成模塊的上升時(shí)間非常有限，以至于高速信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸之后高頻分量損耗嚴(yán)重。許多新的第三代標(biāo)準(zhǔn)(USB3.0, PCIE Gen3, 10G-KR)已經(jīng)考慮到這一點(diǎn)，要求的帶寬比以前低得多。當(dāng)然，也有一些例外情況，要求更高的帶寬。比如100G以太網(wǎng)方案，它采用復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)(DP-QPSK)，要求四個(gè)模擬輸入及超過(guò)20 GHz的帶寬進(jìn)行分析。鑒于這些應(yīng)用，泰克已經(jīng)宣布，其帶寬超過(guò)30GHz的示波器將于今年下半年晚些時(shí)候推出。

　　Q5: 怎樣才能提高測(cè)試儀器的靈敏度呢?

　　A: 選擇合適的帶寬，帶寬過(guò)大會(huì)增加噪聲，在垂直設(shè)置上，盡可能讓信號(hào)填滿屏幕，好充分利用示波器的AD位數(shù)，可以采用波形平均，合適的探頭的帶寬，選擇高分辨率 (Hi-res) 采集模式等等。

　　Q6: 在對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，確認(rèn)異?，F(xiàn)象并在短時(shí)間內(nèi)弄清電路的運(yùn)行條件，如何增加捕捉異?，F(xiàn)象的機(jī)會(huì)?

　　A: 使用DPX技術(shù)，并打開(kāi)無(wú)限余輝，幾秒鐘就可以看到平時(shí)可能數(shù)小時(shí)看不到的異常信號(hào)。該性能提高了見(jiàn)證數(shù)字系統(tǒng)中出現(xiàn)的瞬態(tài)事件的幾率，這些瞬態(tài)事件包括短脈沖、毛刺和轉(zhuǎn)換誤差等。

二、如何操作無(wú)使用說(shuō)明書(shū)的示波器

　　示波器的型號(hào)多種多樣，其中無(wú)使用說(shuō)明書(shū)的示波器占很大比例，這對(duì)于初次使用示波器的初學(xué)者十分不便。本文根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就如何操作無(wú)使用說(shuō)明書(shū)的示波器作簡(jiǎn)單介紹，希望能給初學(xué)者帶來(lái)幫助。

　　一、常見(jiàn)示波器面板功能鍵、鈕的標(biāo)示及作用

　　1.Power(電源開(kāi)關(guān))：接通或關(guān)斷整機(jī)輸入電源。

　　2.FOCUS(聚焦)和ASTIG(輔助聚焦)：常為套軸電位器，用于調(diào)整波形的清晰度。

　　3.ROTATION(掃描軌跡旋轉(zhuǎn)控制)：調(diào)整此旋鈕可以使光跡和座標(biāo)水平線平行。

　　4.ILLUM(坐標(biāo)刻度照明)：用于照亮內(nèi)刻度坐標(biāo)。

　　5.A/B INTEN(A/B亮度控制)：通常為套軸電位器，作用是調(diào)節(jié)A和B掃描光跡的亮度。

　　6.CAL 0.5Vp-p(校正信號(hào)輸出)：提供0.5Vp-p且從0電平開(kāi)始的正向方波電壓，用于校正示波器。

　　7.VOLTS/div(電壓量程選擇)：通常電壓量程和幅度微調(diào)為套軸電位器，外調(diào)節(jié)旋鈕是電壓量程選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)此旋鈕以改變電壓量程;中間帶開(kāi)關(guān)的電位器為電壓量程微調(diào)，順時(shí)針旋到底為校正位置，逆時(shí)針調(diào)節(jié)，波形幅度，變化范圍在電壓/格兩檔之間。

　　8.CH1和CH2(輸入信號(hào)插座)：為示波器提供輸入信號(hào)。

　　9.AC GND DC(輸入耦合開(kāi)關(guān))：用于選擇輸入信號(hào)的耦合方式。

　　10.GRIG SEL(內(nèi)同步選擇)：按下此鍵，以CH1和CH2分別作為內(nèi)同步信號(hào)源。

　　11.CH POL(信號(hào)倒相)：按下此鍵，輸入信號(hào)倒相180°。

　　12.VERTICAL MODE(垂直工作方式選擇)：分別按下CH1、CH2、ALT、COHP、ADD、X-Y鍵，屏幕顯示依次為CH1、CH2、CH1和CH2交替、CH1和CH2斷續(xù)、CH1和CH2代數(shù)和、CH1垂直/CH2水平等方式。

　　13.POSITION(位移調(diào)節(jié))：調(diào)節(jié)CH1和CH2輸入信號(hào)0電平在屏幕的起始位置。

　　14.UNCAL(不校正指示)：當(dāng)CH1和CH2電壓量程微調(diào)不在校正位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的不校正指示燈點(diǎn)亮。

　　15.TIME(掃描時(shí)間調(diào)整)：外旋鈕調(diào)節(jié)A掃描速度，內(nèi)旋鈕調(diào)節(jié)B掃描速度。

　　16.B.VAR、TRACE SEP(B掃描微調(diào)和A/B掃描軌跡分離)：一般情況下，涂有紅色的旋鈕為B掃描微調(diào)，提供連續(xù)可變的非校正B掃描速度。

　　17.DELAY TIME(掃描延遲時(shí)間調(diào)節(jié))：選擇A和B掃描啟動(dòng)之間的延遲時(shí)間。

　　18.POSITION(水平位移控制)：使顯示波形作水平位移。

　　19.SWEEP MODE(觸發(fā)同步方式)：其中AUTO為自動(dòng)觸發(fā)、NORM為常態(tài)觸發(fā)、HF為高頻觸發(fā)、SINGLE為單掃描觸發(fā)。

　　20.LEVEL HOLD OFF(電平和釋抑調(diào)節(jié))：是電平調(diào)節(jié)觸發(fā)同步后，使信號(hào)同步穩(wěn)定的輔助調(diào)節(jié)器。

　　21.TRIGD(觸發(fā)同步狀態(tài)指示)：一旦掃描電路被觸發(fā)同步后 ，指示燈點(diǎn)亮。

　　22.SLOPE(斜率開(kāi)關(guān))：選擇觸發(fā)信號(hào)的斜率，開(kāi)關(guān)置"+"時(shí)，掃描以觸發(fā)信號(hào)的正斜率觸發(fā);開(kāi)關(guān)置"-"時(shí)，掃描以觸發(fā)信號(hào)的負(fù)向斜率觸發(fā)。

　　23.COUPLING(觸發(fā)耦合開(kāi)關(guān))：決定掃描觸發(fā)源的耦合方式。AC為交流耦合、DC為直流耦合、TV為電視場(chǎng)/行同步耦合、HFREJ為同步耦合。

　　24.SOURCE(觸發(fā)源選擇開(kāi)關(guān))：INT為CH1或CH2輸入信號(hào)觸發(fā)、LINE為市電內(nèi)電源觸發(fā)、EXT為外輸入信號(hào)觸發(fā)。

　　二、一般使用方法

　　1.獲得基線：

　　使用無(wú)使用說(shuō)明書(shū)的示波器時(shí)，首先應(yīng)調(diào)出一條很細(xì)的清晰水平基線，然后用探頭進(jìn)行測(cè)量，步驟如下。

　　(1)預(yù)置面板各開(kāi)關(guān)、旋鈕。 亮度置適中位置，聚焦和輔助聚焦置適中位置，垂直輸入耦合置"AC"，垂直電壓量程選擇置適當(dāng)檔位(如"5mV/div")，垂直工作方式選擇置"CH1"，垂直靈敏度微調(diào)校正置"CAL"，垂直通道同步源選擇置中間位置，垂直位置置中間，A和B掃描時(shí)間均置適當(dāng)檔位(如"0.5ms/div")，A掃描時(shí)間微調(diào)置校準(zhǔn)位置"CAL"，水平位移置中間，掃描工作方式置"A"，觸發(fā)同步方式置"AUTO"，斜率開(kāi)關(guān)置"+"，觸發(fā)耦合開(kāi)關(guān)置"AC"，觸發(fā)源選擇置"INT"。

　　(2)按下電源開(kāi)關(guān)，電源指示燈亮。

　　(3)調(diào)節(jié)A亮度聚焦等有關(guān)控制旋鈕，可出現(xiàn)纖細(xì)明亮的掃描基線，調(diào)節(jié)基線使其位置于屏幕中間與水平坐標(biāo)刻度基本重合。

　　(4)調(diào)節(jié)軌跡旋轉(zhuǎn)控制使基線與水平坐標(biāo)平行。

　　2.顯示信號(hào);

　　一般示波器均有0.5Vp-p標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)輸出口，調(diào)妥基線后，即可將探頭接入此插口，此時(shí)屏幕應(yīng)顯示一串方波信號(hào)，調(diào)節(jié)電壓量程和掃描時(shí)間旋鈕，方波的幅度和寬度應(yīng)有變化，至此說(shuō)明該示波器基本調(diào)整完畢，可以投入使用。

　　3.測(cè)量信號(hào)：

　　將測(cè)試線接入CH1或CH2輸入插座，測(cè)試探頭觸及測(cè)試點(diǎn)，即可在示波器上觀察波形。如果波形幅度太大或太小，可調(diào)整電壓量程旋鈕;如果波形周期顯示不合適，可調(diào)整掃描速度旋鈕。

三、選擇合適示波器帶寬方法

　　帶寬是大多數(shù)工程師在選擇一款示波器時(shí)首先考慮的參數(shù)。本文將為您提供一些有用的竅門(mén)，教您如何為您的數(shù)字和模擬應(yīng)用選擇合適的示波器帶寬。

　　數(shù)字應(yīng)用需要的示波器帶寬

　　經(jīng)驗(yàn)告訴我們，示波器的帶寬至少應(yīng)比被測(cè)系統(tǒng)最快的數(shù)字時(shí)鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，那么該示波器就能以最小的信號(hào)衰減捕捉到被測(cè)信號(hào)的5次諧波。信號(hào)的5次諧波在確定數(shù)字信號(hào)的整體形狀方面非常重要。但如果需要對(duì)高速邊沿進(jìn)行精確測(cè)量，那么這個(gè)簡(jiǎn)單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實(shí)際高頻成分。

　　公式：fBW ≥ 5 x fclk

　　確定示波器帶寬的一個(gè)更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號(hào)中存在的最高頻率，而不是最大時(shí)鐘速率。數(shù)字信號(hào)的最高頻率要看設(shè)計(jì)中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設(shè)計(jì)中最快的信號(hào)的上升和下降時(shí)間。這一信息通?？蓮脑O(shè)計(jì)中所用器件的公開(kāi)說(shuō)明書(shū)中獲取。

　　第一步：確定最快的邊沿速度

　　然后就可以利用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算信號(hào)的最大“實(shí)際”頻率成分。Howard W. Johnson博士就此題目寫(xiě)過(guò)一本書(shū)《高速數(shù)字設(shè)計(jì)》。在書(shū)中，他將這一頻率成分稱(chēng)為“拐點(diǎn) ”頻率(fknee)。所有快速邊沿的頻譜中都包含無(wú)限多的頻率成分，但其中有一個(gè)拐點(diǎn)(或稱(chēng)“knee”)，高于該頻率的頻率成分對(duì)于確定信號(hào)的形狀就無(wú)關(guān)緊要了。