示波器原理及其应用.docx
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示波器原理及其应用
示波器原理及其应用
示波器介绍
示波器的作用
示波器属于通用的仪器，任一个硬件工程师都应该了解示波器的工作原理并能够熟练使用示波器，掌握示波器是对每个硬件工程师的基本要求。
示波器是用来显示波形的仪器，显示的是信号电压随时间的变化。
因此，示波器可以用来测量信号的频率，周期，信号的上升沿/下降沿，信号的过冲，信号的噪声，信号间的时序关系等等。
在示波器显示屏上，横坐标（X）代表时间，纵坐标（Y）代表电压，（注，如果示波器有测量电流的功能，纵坐标还代表电流。
）还有就是比较少被关注的-亮度（Z），在TEK的DPO示波器中，亮度还表示了出现概率（它用16阶灰度来表示出现概率）。
1．1．示波器的分类
示波器一般分为模拟示波器和数字示波器；在很多情况下，模拟示波器和数字示波器都可以用来测试，不过我们一般使用模拟示波器测试那些要求实时显示并且变化很快的信号，或者很复杂的信号。
而使用数字示波器来显示周期性相对来说比较强的信号，另外由于是数字信号，数字示波器内置的CPU或者专门的数字信号处理器可以处理分析信号，并可以保存波形等，对分析处理有很大的方便。
1.2.1模拟示波器
模拟示波器使用电子枪扫描示波器的屏幕，偏转电压使电子束从上到下均匀扫描，将波形显示到屏幕上，它的优点在于实时显示图像。
模拟示波器的原理框图如下：
见上图所示，被测试信号经过垂直系统处理（比如衰减或放大，即我们拧垂直按钮－volts/div），然后送到垂直偏转控制中去。
而触发系统会根据触发设置情况，控制产生水平扫描电压（锯齿波），送到水平偏转控制中。
信号到达触发系统，开始或者触发“水平扫描”，水平扫描是一个是锯齿波，使亮点在水平方向扫描。
触发水平系统产生一个水平时基，使亮点在一个精确的时间内从屏幕的左边扫描到右边。
在快速扫描过程中，将会使亮点的运动看起来象一条平滑的曲线。
而信号电压加到垂直偏转电压的电极上，效果也是产生了一个移动的亮点，电压为正将使点向上移动，电压为负则向下移动，水平偏转和垂直偏转电压配合在一起，就能够在屏幕上显示信号的波形。
在比较高的速度上，亮点能够扫描过屏幕达50,0000次/秒，目前最好的通用示波器也不过每秒捕捉40,0000个波形，因此说模拟示波器比数字示波器的实时性要高，是有货真价实的。
水平扫描和垂直偏转能使信号的波形图像能够显示到屏幕上，不过触发系统也是必不可少的，它不仅仅是让你抓到你需要的波形，还能够使图像稳定地显示到屏幕上，它能使重复的波形能够在同一个点开始扫描，在屏幕显示一个干净和稳定的图像。
下图显示了没有触发和触发的波形：
没有触发的波形比较乱和在闪动，不稳定，而触发的波形则非常的稳定和干净。
一般来说，使用一个模拟示波器，我们主要需要调整三个基本方面，也就是上面说的三个部分：
信号的衰减或者放大情况：
使用volts/div旋钮，可以调整信号在屏幕的范围里面，垂直大小合适。
时基：
使用sec/div旋钮，调整每格代表的时间间隔，可以使信号在水平方向放大或者缩小。
触发系统：
可以调整触发电平，能够使波形稳定显示，或者寻找到我们需要的波形。
当然，调整亮点的大小和亮底，可以使波形显示达到最佳的显示效果。
1.2.2数字示波器
一个数字示波器对波形进行采样，并用AD转换器将模拟图像转换为数字波形，最后将波形重现到屏幕上面。
数字示波器的原理图如下：
当我们将探头接到线路上面时，垂直系统控制调整信号的衰减和放大，这个和模拟示波器一样。
接着，在采样系统中对信号进行模－数转换（ADC），连续的模拟信号变成了离散的点。
水平系统的时基决定了采样率的水平。
比如我们的TDS5054的最大采样速率为5GSa/s，说明它最快的情况下能够在每秒钟采样5G个点。
经过采样量化的点被存到存储器里面，并拼成波形图。
在数字示波器中，存储波形点的长度，通常称为存储长度。
由于处理要求非常快，这些存储器不是通用的SDRAM，而是专用的高速存储器，价格比较贵，因此比较便宜的示波器都使用标准配置。
触发系统决定了保存点的开始和结束点的位置。
存储器里面的波形最后传送到显示系统中进行显示。
为了增强示波器的综合能力，数据处理是必须的。
另外预触发能够让我们能够看到触发前的波形情况。
和模拟示波器一样，使用数字示波器来测试，也需要调整垂直幅度、水平时间间隔和触发设置。
1.2.3采样方法
对于比较慢的信号，示波器能够采到足够的采样点来显示波形，而对于比较快的信号（这里的快慢是针对示波器的采样频率来讲的），示波器不能够采到足够的采样点来显示波形。
因此，示波器采样一般采用两种方法来对信号采样，一是实时采样，二是等效采样。
1．实时采样：
一次按照顺序来采集采样点，然后采用计算方法内插一些数据，内插技术是评估用一些点来组成波形是否和原来的图像的靠近程度，一般的内插技术（waveforminterpolation）有线性和sin（x）/x两种。
如果没有特别表明的情况下，示波器给出的采样速率都是实时采样速率，也就是一次采样的速率。
实时采样示意图如上面所示，它在一次采样中采尽量多的点，而且都是顺序采样的。
由于采样得到的点是离散的点，而我们显示一般情况下都是显示波形曲线（当然也可以用点显示模式，但是很少用），这就涉及到一个内插的问题，将点还原为曲线，一般有两种方法：
直线连接和曲线模拟，曲线模拟主要使用正弦曲线做拟合，效果分别见下面所示。
2．等效采样：
每个周期采样一些点，经过多个周期后将这些点拼起来，就是一个完整的图，不过这要求波形是周期性的，否则误差会比较大。
等效采样有两种方式：
一种是随机采样，另外一种是顺序采样。
对于那些快速信号，实时采样可能一次采不到足够的点，于是就要采用等效采样，等效采样只对那些周期性的信号有意义。
等效采样有两种，一种是随机采样，另外一种是顺序采样，随机的示意图如下：
由于是周期性的信号，信号在每个周期都是一样的，随机采样就将整个波形分开采样，随机采集信号，经过数个周期，就能够将一个完整的波形采集完毕，将这些采集点拼起来，就是一个完整的波形了。
而顺序采样，就是按照顺序来，第一次采1、2、3点，第二次采4、5、6点等，直到将整个波形采集完毕。
无论是哪种等效采样方式，它们的结果就是提高采样能力，比如一个实时采样的速率为1GSa/s的示波器，它使用等效采样的方式来采样，每次都用最高的实时采样速率采集数据，花了10次才将一个波形周期采集完毕，那么它的等效采样速率就是10GSa/s，即提高到了10倍。
对于实时采样，主要表示了单次波形的采集能力，而等效采样，主要用于周期性的信号的采样。
比如TDS784的实时采样速率为4GSa/s，而等效采样速率则高达250GSa/s。
在示波器中，可以选择使用还是不使用等效采样的，比如在TDS794D中，ACQUIREMENU菜单中，有这个选项，见下图所示，图中选择了只用实时采样。
在我们的TDS5054示波器中，实时采样和等效采样是自动切换的。
Channelson
1
3
2or4
TIMEBASE
≥800PS/PT
RT
RT
RT
400PS/PT
RT
ET
ET
200PS/PT
RT
ET
ET
≤100PS/PT
ET
ET
ET
RT：
real-timesampling
ET:
equivalent-timesampling
示波器上ET显示的是IT
1.2.4示波器的控制
示波器的主要是三个部分，垂直控制、水平控制和触发控制，除此外，很多数字示波器都提供了“软键”（softkey）控制，通过在示波器的屏幕周围排放一些键，对于屏幕里面的菜单，这些键在不同的菜单中对应不同的项目，因此定义不固定，故称之为“软键”。
因为有了“软键”，很多功能都可以做了进去，比如波形参数的测试、高级触发方式等。
下图是Agilent的54800系列的控制面板示意图，它主要分为三个区，水平控制区、垂直控制区和触发控制区，此外还有一些其他的设置，包括保存和输入输出的的部件等。
水平控制可以调整时基的大小，也就是间隔的大小，示波器中，只有一个水平控制钮，调整它，所有通道的时间间隔都会变。
垂直控制区，在这里是每个通道都有一个，不过有的示波器为了节省面板面积，有时候所有通道共用一个垂直控制钮，通过另外的按键去选择通道。
有关这些细节，实践一下马上有印象了，这里不做更多的描述。
最后一个是触发，这是示波器比较关键的部分，因为数字示波器比起模拟示波器，触发的多样性是它的一大特点，有关触发在下一节详细描述。
1.2.5示波器的触发
示波器的触发，相对来说，里面的玄机就多一点。
我们最常使用的是边沿触发，比如上升沿触发或者下降沿触发。
一般示波器的主要触发有：
作为熟练的硬件工程师，除了最常用的边沿触发模式外，还应该掌握脉冲触发中的毛刺触发、矮电平触发、脉冲宽度触发，以及单次触发等，另外如果需要测试时序的话，掌握逻辑触发也是很有用的。
下面以TDS5054为例，介绍一下脉冲触发方式。
高级的触发设置在触发的菜单中。
点击菜单中TRIG，在下拉菜单中选择EDGE SETUP，进入如下设置界面。
1、毛刺Glith触发：
选择了毛刺触发后，就可以在右边选择毛刺触发的类型和宽度，还可以设置电平等。
2、矮电平Runt触发
2-5-3矮电平触发设置－上下界线设置示意图
设置完毕就可以开始进行测试，见上图。
3、脉冲宽度Width触发
在选择了宽度width后，在下边选项Polarity选择脉冲极性，然后在脉冲宽度选项TrigWhen中选择触发类型（超出设置值还是小于设置值）和设置数值，见下图，再设定电平，设置完毕就可以开始测试了。
图2-5-4
上面几种触发，在测试总线和控制信号的异常情况方面，比较有用。
5、单次触发
单次触发并非一个独立的触发方式，它和其他方式一起使用，只是其他方式可以进行多次的触发，而单次触发只会触发一次就停止了，并将信号显示出来，比如对于上电的电压上升的情况、捕获很少出现的脉冲毛刺等比较有用。
1.2.6示波器的存储深度
虽然存储深度是示波器的四大指标之一（分别为带宽、采样速率、通道数和存储深度），但是最后一个指标，厂家通常很少提的，不提并不表示它的重要性，而是他们有意淡化这个问题而已。
比如TDS794D的存储深度，标准配置为每通道50k点。
存储深度和采样速率的关系是：
存储深度＝最快采样速率×最大采样速率时限×500
上面公式中的500是指屏幕上面水平方向有10格，每格是50个点，共500个点。
最大采样速率时限是指，示波器在最快的采样速率情况下，需要多长时间就可以将存储器存满。
如果超过此时限，就会溢出了，实际上不会溢出，而是采取降低采样速率的方法。
例如上面的TDS794D，在标准配置的情况下，如果用最大的采样速率（4GSa/s）采样时，它的最大采样速率时限为25ns，此时时基为25/10＝2.5ns/div（注：
实际上没有这个档，比较说明而已），也就是意味着，如果你将时基调整到2.5ns/div以上时，采样速率就要降低。
大家平时也可能注意到，当我们测试数兆频率的信号，示波器左上角显示的采样速率会远远比示波器的最高采样速率要小。
存储深度比较大的好处在于，测试比较低速的信号时，能够以比较高的采样速率来取样，也就是能够看到更多的细节，这就是存储深度的奥妙所在。
图2-6-2显示了Agilent的54600系列示波器深存储器的效果。
54600系列是Agilent的中低端示波器，一般来说，低端示波器的存储深度都比较低，比如数k到数十k，但是它配备了每通道深达2M的存储器，它兼顾了示波器长时间捕获及高速采样两个方面，因此能够看到波形细节的可能性大大增大。
在图中，每个周期中叠加了1500脉冲，其中有一个失真，示波器就以高亮度显示，通过放大该亮点，就可以看出脉冲失真的细节来。
值得指出的是，存储深度和采样速率都有单通道、双通道、全通道等的差别。
比如794D的采样速率为4GSa/s，其实它是单通道下面的最高采样速率，如果开了双通道，就变成了每个2GSa/s，如果开了三个以上通道，就变成每个通道1GSa/s，同理，在存储深度也有这样的情况，就是通道存储深度。
但是这个不是绝对的，有很多例外的情况，如TDS220，厂家标的采样速率是每通道1GSa/s，而不是所有通道的和，同样部分示波器标配的存储器为50k深度，是所有的通道都是50k，这些细节需要查看厂家的手册才比较明确。
还有的694C，也是每个通道采样速率达10GSa/s，不是所有通道采样速率的和。
1.2.7示波器的探头
要测试，示波器就少不了探头，探头四个主要的指标为带宽、输入电阻、输入电容和衰减倍数。
探头的分类如图2-7-1所示。
我们最常用的探头是测试电压波形的有源探头和无源探头。
图2-7-1通用探头的分类情况
图2-7-2显示了探头的输入阻抗和带宽的关系，通常来说带宽高的探头，它的输入阻抗普遍要低。
比如同样是有源探头的P6204和P6249，带宽分别为1GHz和4GHz，它们的输入输入阻抗分别为10M欧姆和20k欧姆。
需要注意的是，阻抗会随着输入信号的频率而变化，比如随着频率的升高而减低，它不是一个恒定的数值。
上图显示的是一些比较老的探头的输入阻抗和带宽的关系，现在已经有不少提高了。
在低端，主要影响的因素是输入阻抗，而在高端，主要的影响因素不再是输入阻抗，而是输入电容。
探头作为测试信号的连接设备，其输入电压是有限制，因此我们使用探头时需要特别注意探头的测试范围。
输入电压比较高的探头，它的带宽也低，反之，带宽高的探头，它的输入电压范围比较小。
比如有源探头P6245的带宽为1.5GHz，它的输入电压范围仅为±40V，而500MHz带宽的无源探头P5050的最大输入电压为300V。
图2-7-3探头的补偿效果
探头特别是有源探头，都需要校准的。
一般是利用示波器提供标准的1kHz的信号来校准。
图2-7-3显示了校准的效果。
图2-7-4探头的地线效果示意图
在测试时，我们尽量要使用短的地线和带宽高的有源探头。
图2-7-4显示了一个比较长的地线（如我们普遍使用探头夹子，长度大约12cm左右），和探头一起围成了一个环型回路，这个回路，就引入了分布的电感，这个电感的量级在50－200nH左右，它和探头的输入电容一起就形成了一个谐振回路，在信号的边沿处产生振铃。
由于这种人为操作的误差是不能彻底消除，但是我们可以尽量选择短地线来减少它。
下面是同一个时钟，使用两个不同的探头做比较的结果。
示波器：
TEK的TDS580C，1GHz带宽，4GHz采样速率。
探头1：
无源探头P6139，500M带宽，10M欧姆输入电阻，8pF输入电容，10倍衰减，地线比较长，加上夹子大约13cm；
探头2：
有源探头P6245，1.5GHz带宽，1M欧姆输入电阻，1pF输入电容，10倍衰减，短地线，长约3cm）。
波形2-7-5为无源探头P6139的测试波形，图2-7-6为有源探头P6245的测试波形，从两个波形看出，无源探头加长地线的结果是有比较大的过冲，并有轻微的振荡。
另外由于反射波的原因，造成上升沿变陡。
因此如果要得到比较准确的波形，最好选用带宽高、输入电容低的有源探头，并使用短地线，如果图方便使用长地线，只会带来更大的误差。
图2-7-5无源探头P6139的测试波形图
图2-7-6有源探头P6245的测试波形图
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