示波器知識(shí)百問(wèn)
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時(shí)間：2012-10-29
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答：示波器早已成為檢測(cè)電子線路最有效的工具之一，通過(guò)觀察線路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓電流波形可以直觀地檢查線路工作是否正常，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否恰當(dāng)。這對(duì)提高可靠性極有幫助。當(dāng)然對(duì)波形的正確分析判斷有賴(lài)于工程師自身的經(jīng)驗(yàn)。
2． 決定示波器探頭價(jià)格的主要因素是什么？
答：示波器的探頭有非常多的種類(lèi)，不同的性能，比如高壓，差分，有源高速探頭等等，價(jià)格也從幾百人民幣到接近一萬(wàn)美元。價(jià)格的主要決定因素當(dāng)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(cè)試需要的保真度。為做到這一點(diǎn)，即使無(wú)源探頭，內(nèi)部也必須有非常多的無(wú)源器件補(bǔ)償電路(RC網(wǎng)絡(luò))。
3． 一般的示波器探頭的使用壽命有多長(zhǎng)時(shí)間？探頭需不需要定期的標(biāo)定？
答：示波器的探頭壽命不好說(shuō)，取決于使用環(huán)境和方法。
標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于探頭沒(méi)有明確的計(jì)量規(guī)定，但是對(duì)于無(wú)源探頭，至少在更換探頭，探頭交換通道的時(shí)候，必須進(jìn)行探頭補(bǔ)償調(diào)整。所有有源探頭在使用前應(yīng)該有至少20分鐘的預(yù)熱，有的有源探頭和電流探頭需要進(jìn)行零點(diǎn)漂移調(diào)整。
4． 什么是示波器的實(shí)時(shí)采樣率？
答：實(shí)時(shí)采樣率是指示波器一次采集(一次觸發(fā))采樣間隔的倒數(shù)。據(jù)了解，目前業(yè)界的最高水平是四個(gè)通道同時(shí)使用。
5． 什么是示波器的等效時(shí)間采樣？
答：等效時(shí)間采樣指的是示波器把多次采集(多次觸發(fā))采集到的波形拼湊成一個(gè)波形，每次采樣速率可能很慢，兩次采集觸發(fā)點(diǎn)有一定的偏移，最后形成的兩個(gè)點(diǎn)間的最小采樣間隔的倒數(shù)稱(chēng)為等效采樣速率。其指標(biāo)可以達(dá)到很高，如1ps。
6． 什么是功率因數(shù)？如何如何測(cè)量？
答：功率因數(shù)：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(shù)，以COSΦ表示，其實(shí)最簡(jiǎn)單的測(cè)量方式就是測(cè)量電壓與電流之間的相位差，得出的結(jié)果就是功率因數(shù)。
7． 如何表達(dá)和測(cè)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(wú)辦法利用示波器測(cè)出高頻變壓器或電感磁芯的工作情況？
答：TEK推出的功率測(cè)試方案里就有一項(xiàng)功能——B-H曲線的分析，它能反應(yīng)磁芯的工作狀態(tài)，還能測(cè)出動(dòng)態(tài)電感值，并得出磁芯損耗。
9． 開(kāi)關(guān)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(lèi)，才好用相應(yīng)的處理方法。示波器只能提供數(shù)據(jù)分析和波段形顯示。
10． 用示波器怎樣可以測(cè)試到開(kāi)頭電源的幅射？
答：開(kāi)關(guān)電源存在幅射干擾，一般做法是設(shè)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(gòu)成，根據(jù)頻率范圍，從而判斷干擾的種類(lèi)。
11． 在反激式電源設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)樽儔浩髀└写?，而使變壓器的轉(zhuǎn)換效率降低，繞制時(shí)采用初級(jí)中間夾繞次級(jí)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(qiáng)偶合。
12． 有沒(méi)有能分析開(kāi)關(guān)損耗的示波器？
答：泰克的電源測(cè)試系統(tǒng)即TDS5000系列數(shù)字熒光示波器加上TDSPWR2功率分析軟件就可以輕松的分析開(kāi)關(guān)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(jìn)行傅立葉分解？
答：現(xiàn)代數(shù)字示波器大多具有FFT功能，其中上述系統(tǒng)甚至可以按EN61000－3－2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電流諧波進(jìn)行預(yù)測(cè)試。
14． 示波器能否進(jìn)行濾波處理？如對(duì)PWM波進(jìn)行低通濾波？
答：TDS5000可以進(jìn)行20MHz，150MHz低通濾波，還可以進(jìn)行一種稱(chēng)之為高分辨率采集的數(shù)字低通濾波，在此種模式中采樣點(diǎn)的垂直分辨率可從8bits提高到12bits，上述系統(tǒng)可以輸出像比如PWM這樣的信號(hào)按照脈寬變化的趨勢(shì)的類(lèi)似正弦波波形。
15． 使用數(shù)字示波器時(shí)，對(duì)B觸發(fā)和觸發(fā)電平的設(shè)置與被測(cè)信號(hào)有什么原則？
答：泰克的示波器支持A,B trigger功能，簡(jiǎn)單說(shuō)就是可以雙事件序列觸發(fā)，當(dāng)選擇A-B seq時(shí)，A事件作為主觸發(fā)，配合B事件捕獲復(fù)雜的波形。觸發(fā)方法為A事件arm觸發(fā)系統(tǒng)，當(dāng)定義的B事件出現(xiàn)時(shí)在B事件處觸發(fā)。具體詳細(xì)的觸發(fā)說(shuō)明，請(qǐng)參考示波器的手冊(cè)。
16． 如何用TDS3052B測(cè)量載波頻率為幾十K，調(diào)制波頻率為電源頻率的已調(diào)波的最大值？
答：工頻輸入可能為低頻的50Hz/60Hz，同時(shí)載波為幾十K，一個(gè)工頻周期為20ms左右，如果示波器需要觀測(cè)20ms信號(hào)，即示波器的duration采集窗口至少為2ms/div ×10格, 同時(shí)根據(jù)幾十k的載波信號(hào)，確定示波器的采樣率。最后可以估算出需要的采集內(nèi)存長(zhǎng)度，判斷是否能夠滿(mǎn)足測(cè)試要求。
17． 使用一臺(tái)標(biāo)稱(chēng)100MHz的DSO示波器，測(cè)量一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)幅值400V，f=50M，示波器如何描繪出它的波形和上升時(shí)間？
答：① 示波器的帶寬是以正弦波幅度衰減－3dB點(diǎn)為帶寬定義的。
② 數(shù)字示波器中對(duì)于波形和上升時(shí)間的描繪都是通過(guò)實(shí)時(shí)采樣電路和高速A/D變換器獲得波形數(shù)據(jù)，再通過(guò)插值運(yùn)算得到的。
③ 在泰克的示波器中，有實(shí)時(shí)的處理電路完成所謂的正弦內(nèi)插功能，在信號(hào)采集電路部分完成。當(dāng)然，很多示波器也是通過(guò)示波器的主處理器進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算完成的，這個(gè)時(shí)候會(huì)花比較多的時(shí)間。
④ 對(duì)于您測(cè)量的信號(hào)，恐怕使用100MHz的示波器是無(wú)法進(jìn)行。50MHz的方波，理論上應(yīng)該使用450MHz以上的示波器才能將信號(hào)中最重要的9次以下諧波準(zhǔn)確重新，從而保證波形不失真。更何況，您恐怕還要考慮信號(hào)上升時(shí)間的問(wèn)題，理論上，示波器的上升時(shí)間應(yīng)該比信號(hào)快5倍以上。
⑤ 探頭也一樣，由于普通探頭在測(cè)量高壓的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生高頻失真的效應(yīng)，您應(yīng)該采用特別的差分探頭或者高壓探頭比如，泰克的P5205，P5100進(jìn)行測(cè)量。
18． 如何在模擬電路用好數(shù)字示波器，比如測(cè)音頻放大器的小信號(hào)，電源的雜波等？
答：要注意的問(wèn)題有：
① 示波器的接地問(wèn)題，示波器的機(jī)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(cè)量干擾的首要條件。
② 示波器參考地線引入的干擾問(wèn)題，由于普通探頭通常都有一段接地線，會(huì)與待測(cè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)類(lèi)似環(huán)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，不使用探頭上引出的地線，而直接使用探頭尖端和探頭內(nèi)的地點(diǎn)接觸待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。
③ 使用差分測(cè)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(zhuān)門(mén)針對(duì)小信號(hào)的ADA400A可以測(cè)量到幾百微伏，用于高速信號(hào)測(cè)量的P7350提供高達(dá)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(hào)捕獲模式，可以過(guò)濾信號(hào)上疊加的隨機(jī)噪聲。
19． 在測(cè)量離板信號(hào)線的傳導(dǎo)騷擾時(shí)，發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)特定頻點(diǎn)（一個(gè)是659K另一個(gè)是1.977K）上由兩個(gè)很大的噪聲信號(hào)。初步分析是由于板上的開(kāi)關(guān)電源芯片引起的，如何使用示波器測(cè)量這樣的噪聲信號(hào)？
答：示波器可以測(cè)試噪聲信號(hào)有幾個(gè)考慮的因素：
① 被測(cè)信號(hào)的幅度，是否為小信號(hào)， 示波器配合探頭可以測(cè)試uA級(jí)的信號(hào)
② 被測(cè)信號(hào)的頻率。
③ 探頭的連接方式不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響測(cè)試結(jié)果。
20． 在用泰克的示波器時(shí)，如何理解Holdoff這個(gè)參數(shù)？
答：Holdoff（觸發(fā)釋抑）的含義是暫時(shí)將示波器的觸發(fā)電路封閉一段時(shí)間（即釋抑時(shí)間），在這段時(shí)間內(nèi)，即使有滿(mǎn)足觸發(fā)條件的信號(hào)波形點(diǎn)示波器也不會(huì)觸發(fā)。在數(shù)字示波器中也會(huì)用百分比來(lái)表示，意義是整個(gè)記錄長(zhǎng)度或者整個(gè)屏幕的百分比。
示波器的觸發(fā)部分的作用就是穩(wěn)定的顯示波形，觸發(fā)釋抑也是為了穩(wěn)定顯示波形而設(shè)置的功能。主要針對(duì)大周期重復(fù)而在大周期內(nèi)有很多滿(mǎn)足觸發(fā)條件的不重復(fù)的波形點(diǎn)而專(zhuān)門(mén)設(shè)置的。比如圖中所示，圖中紅色的點(diǎn)都可以滿(mǎn)足觸發(fā)條件，如果不用釋抑功能，觸發(fā)點(diǎn)將不固定，造成顯示不穩(wěn)定，使用觸發(fā)釋抑后，每次都在同一個(gè)點(diǎn)觸發(fā)，因此可以穩(wěn)定顯示。
此外，對(duì)于調(diào)幅信號(hào)等也一樣要使用觸發(fā)釋抑。詳情請(qǐng)參見(jiàn)泰克文章《示波器XYZ》。
21． 關(guān)于holdoff，所謂觸發(fā)與非觸發(fā)，示波器對(duì)采集信號(hào)的處理有什么區(qū)別？
答：對(duì)于數(shù)字示波器，不論是否觸發(fā)，示波器實(shí)際上都是在不斷地采集波形，但是如果只有穩(wěn)定的觸發(fā)才能有穩(wěn)定的顯示。也會(huì)出現(xiàn)這種狀況，示波器觸發(fā)電路的模式出于“自動(dòng)”模式，即不論是否滿(mǎn)足觸發(fā)條件都進(jìn)行波形顯示。如果使用“通常”Normal模式，不滿(mǎn)足觸發(fā)條件就不會(huì)顯示波形。
22． 關(guān)于holdoff，如果在水平時(shí)間分辨率不變的前提下，是否百分比設(shè)置越大（對(duì)應(yīng)信號(hào)顯示逐漸穩(wěn)定）那么就意味著信號(hào)的周期越長(zhǎng)？
答：是的，百分比越大，釋抑時(shí)間越長(zhǎng)。
23． 如何使用示波器測(cè)量差分信號(hào)？
答：最好的方法是選用差分探頭，這時(shí)測(cè)到的信號(hào)最為真實(shí)客觀；若沒(méi)有差分探頭，可使用兩個(gè)差分探頭接到示波器的兩個(gè)通道上(如Ch1, Ch2)，然后用數(shù)學(xué)運(yùn)算，得到ch1-ch2的波形并進(jìn)行分析，這時(shí)盡量保持兩根探頭完全一樣，示波器兩個(gè)通道的Vertical scale ( 每格多少伏)設(shè)置一樣，否則，誤差會(huì)較大。
24． 怎樣用示波器測(cè)量出USB總線上的差分信號(hào)？
答：USB 信號(hào)的測(cè)試分為2種情況：
第一種是需要進(jìn)行符合USB組織定義USB1.1/2.0總線的物理層測(cè)試規(guī)范，只有通過(guò)USB一致性測(cè)試后方可打上USB標(biāo)識(shí)。USB物理層一致性測(cè)試分為很多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目,主要是考察USB信號(hào)的信號(hào)質(zhì)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(cè)USB總線上的信號(hào)，可以選擇合適的差分探頭連接到D+, D-，直接進(jìn)行USB信號(hào)的觀測(cè)。USB2.0信號(hào)速度比較快，上升時(shí)間為幾百皮秒，為了保證信號(hào)的包真度測(cè)試，需要選擇大于2GHz的示波器和差分探頭進(jìn)行測(cè)試。
25． PCB板上的高速信號(hào)特征：XAUI接口3.125GBd串行差分信號(hào)：60ps，請(qǐng)問(wèn)需要多高帶寬的示波器才能精確測(cè)量？測(cè)量誤差可達(dá)多少？
答：對(duì)XAUI接口3.125GBd 串行差分信號(hào)，聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)象InfiniBand 信號(hào)，用正弦內(nèi)插的方式，或類(lèi)似等效采樣的方式來(lái)采集，但由于本身帶寬和觸發(fā)抖動(dòng)等因素，在其測(cè)量100ps ~ 130ps范圍內(nèi)的上升時(shí)間時(shí)，采用7GHz差分探頭可保證誤差3%，對(duì)于 80ps的上升時(shí)間測(cè)量，其誤差會(huì)大于10%, 雖然這已經(jīng)是實(shí)時(shí)示波器中最好的方案，單就上升時(shí)間測(cè)量而言，最精確的方案是安捷倫的網(wǎng)絡(luò)分析儀(需配上物理層分析軟件)，因?yàn)槠鋷捒筛哌_(dá)50GHz。
26． 對(duì)時(shí)鐘的相位噪聲參數(shù)的要求很高的設(shè)計(jì)，需要考慮哪些關(guān)鍵性的問(wèn)題來(lái)降低相位噪聲？
答：在ADC,DAC的器件中衡量性能有很多項(xiàng)指標(biāo)：象位數(shù)、轉(zhuǎn)換速度、DC精度、開(kāi)關(guān)性能、動(dòng)態(tài)性能（SNR, SINAD,IMD）等等。
27． 對(duì)時(shí)鐘的相位噪聲參數(shù)的要求很高的設(shè)計(jì)，怎樣測(cè)量相位噪聲？
答：從示波器的角度來(lái)看，可以測(cè)試ADC,DAC的模擬和數(shù)字信號(hào)的幅度，時(shí)間，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)質(zhì)量，轉(zhuǎn)換速度，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的建立/保持時(shí)間等參數(shù)，還可以通過(guò)TDS示波器中的高級(jí)運(yùn)算功能（頻譜分析功能）來(lái)定性測(cè)量SNR,SINAD等參數(shù)。
28． 由于可能需要引入外界的時(shí)鐘，這樣時(shí)鐘存在2選1的問(wèn)題，此時(shí)用什么方案才能使相位噪聲的惡化最小？
答：首先要分析抖動(dòng)產(chǎn)生的來(lái)源，示波器來(lái)分析抖動(dòng)是一個(gè)很好的工具，目前可以使用TDS5000B/6000B/7000B系列示波器配合抖動(dòng)分析軟件進(jìn)行徹底抖動(dòng)分析，象確定抖動(dòng)(Dj)，隨機(jī)抖動(dòng)(Rj)，Rj和Dj的分離，最后通過(guò)分析造成抖動(dòng)的原因來(lái)消除抖動(dòng)。
29． 在示波器上看波形時(shí)，用外觸發(fā)和自觸發(fā)來(lái)看有何區(qū)別？
答：示波器的通常觸發(fā)是邊沿觸發(fā)，其觸發(fā)條件有2個(gè)，觸發(fā)電平和觸發(fā)邊沿；即：信號(hào)的上升沿（或者下降沿）達(dá)到某一特定電平（觸發(fā)電平）時(shí)，示波器觸發(fā)。 示波器只有在信號(hào)自觸發(fā)有問(wèn)題的時(shí)候才會(huì)使用外觸發(fā)，沒(méi)有哪一個(gè)更好的問(wèn)題。而這種問(wèn)題通?？赡苁?，信號(hào)比較復(fù)雜， 有很多滿(mǎn)足觸發(fā)條件的點(diǎn)，無(wú)法每次在同一位置觸發(fā)，從而得到穩(wěn)定的顯示。這時(shí)需要使用外觸發(fā)。舉例如下：
觀測(cè)上面的信號(hào)，由于ABCD各點(diǎn)都會(huì)觸發(fā)，示波器顯示波形將不能穩(wěn)定。這時(shí)可以使用下面的信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，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(qǐng)問(wèn)帶寬和采樣頻率之間有什么固定關(guān)系？我們也有一款其它廠家的示波器，帶寬100MHz、采樣頻率只有200MHz。為什么兩個(gè)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(biāo)，因?yàn)樵跀?shù)字示波器中有ADC，它的采樣率理論上需要滿(mǎn)足Nyquist采樣定律，即被測(cè)信號(hào)的最高頻率信號(hào)的每個(gè)周期理論上至少需要采2個(gè)點(diǎn)，否則會(huì)造成混疊。但是在實(shí)際上還取決于很多其它的因素，比如波形的重構(gòu)算法等。泰克示波器采用先進(jìn)的波形重構(gòu)算法，被測(cè)信號(hào)的每個(gè)周期只需要2.5個(gè)點(diǎn)就能夠重構(gòu)波形。也有的示波器采用線性插值算法，可能就需要10個(gè)點(diǎn)。一般采樣率是帶寬的4－5倍就可以比較準(zhǔn)確地再現(xiàn)波形。
泰克的TDS3000B系列是“實(shí)時(shí)采樣”示波器，即，它的單次帶寬（捕獲單次信號(hào)的能力）＝重復(fù)帶寬，您所說(shuō)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(biāo)。
31． 示波器指標(biāo)中的帶寬如何理解？
答：帶寬是示波器的基本指標(biāo)，和放大器帶寬的定義一樣，是所謂的－3dB點(diǎn)，即，在示波器的輸入加正弦波，幅度衰減為實(shí)際幅度的70.7%時(shí)的頻率點(diǎn)稱(chēng)為帶寬。也就是說(shuō)，使用100MHz帶寬的示波器測(cè)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?cè)谶x擇示波器的時(shí)候，為達(dá)到一定的測(cè)量精度，應(yīng)該選擇信號(hào)最高頻率5倍的帶寬。
32． 測(cè)量系統(tǒng)的總帶寬如何獲得？
答：測(cè)量系統(tǒng)的總帶寬＝0.35/上升時(shí)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(méi)有太大的意義？
答：帶寬是限制被測(cè)信號(hào)高頻分量被捕獲的基本條件。使用泰克的示波器每個(gè)被測(cè)信號(hào)周期只需2.5個(gè)點(diǎn)就能夠最大限度的重構(gòu)波形。其它一些示波器需要大于4個(gè)樣點(diǎn)/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(gè)點(diǎn)（線性?xún)?nèi)插技術(shù)）才能保證采集信號(hào)有意義。
評(píng)論