100个示波器基础知识问答-杭州远方光电信息股份有限公司

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100个示波器基础知识问答

2021-07-09524

1. 对一个已设计完成的产品,如何用示波器经行检测分析其可靠性?

答:示波器早已成为检测电子线路最有效的工具之一,通过观察线路关键节点的电压电流波形可以直观地检查线路工作是否正常,验证设计是否恰当。这对提高可靠性极有帮助。当然对波形的正确分析判断有赖于工程师自身的经验。


2. 决定示波器探头价格的主要因素是什么?

答:示波器的探头有非常多的种类,不同的性能,比如高压,差分,有源高速探头等等,价格也从几百人民币到接近一万美元。价格的主要决定因素当然是带宽和功能。探头是示波器接触电路的部分,好的探头可以提供测试需要的保真度。为做到这一点,即使无源探头,内部也必须有非常多的无源器件补偿电路(RC 网络)。


3. 一般的安捷伦示波器探头的使用寿命有多长时间?探头需不需要定期的标定?

答:示波器的探头寿命不好说,取决于使用环境和方法。标准对于探头没有明确的计量规定,但是对于无源探头,至少在更换探头,探头交换通道的时候,必须进行探头补偿调整。所有有源探头在使用前应该有至少 20 分钟的预热,有的有源探头和电流探头需要进行零点漂移调整。


4. 什么是示波器的实时采样率?

答:实时采样率是指示波器一次采集(一次触发)采样间隔的倒数。据了解,目前业界的最高水平是四个通道同时使用。


5. 什么是示波器的等效时间采样?

答:等效时间采样指的是示波器把多次采集(多次触发)采集到的波形拼凑成一个波形,每次采样速率可能很慢,两次采集触发点有一定的偏移,最后形成的两个点间的最小采样间隔的倒数称为等效采样速率。其指标可以达到很高,如 1ps。


6. 什么是功率因数?如何如何测量?

答:功率因数:在直流电路里,电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里,电压乘电流是视在功率,而能起到作功的一部分功率(即有功功率)将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数,以 COSΦ表示,其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差,得出的结果就是功率因数。


7. 如何表达和测试功率密度?

答:功率密度就是单位体积里的功率,一般电源里用 W/in3。


8.有无办法利用示波器测出高频变压器或电感磁芯的工作情况?

答:TEK 推出的功率测试方案里就有一项功能——B-H 曲线的分析,它能反应磁芯的工作状态,还能测出动态电感值,并得出磁芯损耗。


9. 开关电源的噪声有多种如布线不合理引起的交叉干扰、电感漏磁、二极管反向尖峰...等引起噪声 ,如何用示波器鉴别?

答:TEK 的 TDS5000 示波器上有频域分析、分析噪声的频率段就能分析出噪声的种类,才好用相应的处理方法。示波器只能提供数据分析和波段形显示。


10. 用力科示波器怎样可以测试到开头电源的幅射?

答:开关电源存在幅射干扰,一般做法是设法探出干扰源,然后再去屏蔽它。用示波器可以傅立叶变换的功能分析其频率成份构成,根据频率范围,从而判断干扰的种类。


11. 在反激式电源设计过程当中,经常会因为变压器漏感大,而使变压器的转换效率降低,绕制时采用初级中间夹绕次级的方式仍然不大理想。变压器绕制有什么技巧吗?

答:将大功率的输出绕组绕在里面,尽量靠近原边,加强偶合。


12. 有没有能分析开关损耗的示波器?

答:泰克的电源测试系统即 TDS5000 系列数字荧光示波器加上 TDSPWR2 功率分析软件就可以轻松的分析开关损耗以及每周期的功率损耗甚至包括 RDS ON。


13. 示波器能否进行傅立叶分解?

答:现代数字示波器大多具有 FFT 功能,其中上述系统甚至可以按 EN61000-3-2 标准对电流谐波进行预测试。


14. 示波器能否进行滤波处理?如对 PWM 波进行低通滤波?

答:TDS5000 可以进行 20MHz,150MHz 低通滤波,还可以进行一种称之为高分辨率采集的数字低通滤波,在此种模式中采样点的垂直分辨率可从 8bits 提高到 12bits,上述系统可以输出像比如 PWM 这样的信号按照脉宽变化的趋势的类似正弦波波形。


15. 使用数字示波器时,对 B 触发和触发电平的设置与被测信号有什么原则?

答:泰克的示波器支持 A,B trigger 功能,简单说就是可以双事件序列触发,当选择 A-B seq 时,A事件作为主触发,配合 B 事件捕获复杂的波形。触发方法为 A 事件 arm 触发系统,当定义的 B 事件出现时在 B 事件处触发。具体详细的触发说明,请参考示波器的手册。


16. 如何用 TDS3052B 测量载波频率为几十 K,调制波频率为电源频率的已调波的最大值?

答:工频输入可能为低频的 50Hz/60Hz,同时载波为几十 K,一个工频周期为 20ms 左右,如果示波器需要观测 20ms 信号,即示波器的 duration 采集窗口至少为 2ms/div ×10 格,同时根据几十 k 的载波信号,确定示波器的采样率。最后可以估算出需要的采集内存长度,判断是否能够满足测试要求。


17. 使用一台标称 100MHz 的 DSO 示波器,测量一个高频开关幅值 400V,f=50M,示波器如何描绘出它的波形和上升时间?

答:

① 示波器的带宽是以正弦波幅度衰减-3dB 点为带宽定义的。

② 数字示波器中对于波形和上升时间的描绘都是通过实时采样电路和高速 A/D 变换器获得波形数据,再通过插值运算得到的。

③ 在泰克的示波器中,有实时的处理电路完成所谓的正弦内插功能,在信号采集电路部分完成。当然,很多示波器也是通过示波器的主处理器进行数学运算完成的,这个时候会花比较多的时间。

④ 对于您测量的信号,恐怕使用 100MHz 的示波器是无法进行。50MHz 的方波,理论上应该使用450MHz 以上的示波器才能将信号中最重要的 9 次以下谐波准确重新,从而保证波形不失真。更何况,您恐怕还要考虑信号上升时间的问题,理论上,示波器的上升时间应该比信号快 5 倍以上。

⑤ 探头也一样,由于普通探头在测量高压的时候会产生高频失真的效应,您应该采用特别的差分探头或者高压探头比如,泰克的 P5205,P5100 进行测量。


18. 如何在模拟电路用好数字示波器,比如测音频放大器的小信号,电源的杂波等?

答:要注意的问题有:

① 示波器的接地问题,示波器的机壳和探头的参考地线都是连接地线的,因此良好的接地是测量干扰的首要条件。

② 示波器参考地线引入的干扰问题,由于普通探头通常都有一段接地线,会与待测点构成一个类似环形天线的干扰路径,引入比较大的干扰,因此要尽量减少这一干扰,可以采用的方法是将探头帽拿掉,不使用探头上引

地线,而直接使用探头尖端和探头内的地点接触待测点进行测量。

③ 使用差分测量的方法,消除共模噪声。泰克提供一系列的差分探头,比如专门针对小信号的ADA400A 可以测量到几百微伏,用于高速信号测量的 P7350 提供高达 5GHz 的带宽。

④ 在泰克的很多示波器里提供高分辨率采集(Hi-Res)的信号捕获模式,可以过滤信号上叠加的随机噪声。


19. 在测量离板信号线的传导骚扰时,发现在两个特定频点(一个是 659K 另一个是 1.977K)上由两个很大的噪声信号。初步分析是由于板上的开关电源芯片引起的,如何使用示波器测量这样的噪声信号?

答:示波器可以测试噪声信号有几个考虑的因素:

① 被测信号的幅度,是否为小信号, 示波器配合探头可以测试 uA?级的信号。

② 被测信号的频率。

③ 探头的连接方式不当会产生噪声,影响测试结果。


20. 在用泰克的示波器时,如何理解 Holdoff 这个参数?

答:Holdoff(触发释抑)的含义是暂时将示波器的触发电路封闭一段时间(即释抑时间),在这段时间内,即使有满足触发条件的信号波形点示波器也不会触发。在数字示波器中也会用百分比来表示,意义是整个记录长度或者整个屏幕的百分比。

示波器的触发部分的作用就是稳定的显示波形,触发释抑也是为了稳定显示波形而设置的功能。主要针对大周期重复而在大周期内有很多满足触发条件的不重复的波形点而专门设置的。比如图中所示,图中红色的点都可以满足触发条件,如果不用释抑功能,触发点将不固定,造成显示不稳定,使用触发释抑后,每次都在同一个点触发,因此可以稳定显示。

此外,对于调幅信号等也一样要使用触发释抑。详情请参见泰克文章《示波器 XYZ》。


21. 关于 holdoff,所谓触发与非触发,示波器对采集信号的处理有什么区别?

答:对于数字示波器,不论是否触发,示波器实际上都是在不断地采集波形,但是如果只有稳定的触发才能有稳定的显示。也会出现这种状况,示波器触发电路的模式出于“自动”模式,即不论是否满足触发条件都进行波形显示。如果使用“通常”Normal 模式,不满足触发条件就不会显示波形。


22. 关于 holdoff,如果在水平时间分辨率不变的前提下,是否百分比设置越大(对应信号显示逐渐稳定)那么就意味着信号的周期越长?

答:是的,百分比越大,释抑时间越长。


23. 如何使用示波器测量差分信号?

答:最好的方法是选用差分探头,这时测到的信号最为真实客观;若没有差分探头,可使用两个差分探头接到示波器的两个通道上(如 Ch1, Ch2),然后用数学 运算,得到 ch1-ch2 的波形并进行分析,这时尽量保持两根探头完全一样,示波器两个通道的 Vertical scale ( 每格多少伏)设置一样,否则,误差会较大。


24. 怎样用示波器测量出 USB 总线上的差分信号?

答:USB 信号的测试分为 2 种情况:

第一种是需要进行符合 USB 组织定义 USB1.1/2.0 总线的物理层测试规范,只有通过 USB 一致性测试后方可打上 USB 标识。USB 物理层一致性测试分为很多个测试项目,主要是考察 USB 信号的信号质量如何,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。


第二种情况是仅观测 USB 总线上的信号,可以选择合适的差分探头连接到 D+, D-,直接进行 USB信号的观测。USB2.0 信号速度比较快,上升时间为几百皮秒,为了保证信号的包真度测试,需要选择大于 2GHz 的示波器和差分探头进行测试。


25. PCB 板上的高速信号特征:XAUI 接口 3.125GBd 串行差分信号:60ps,请问需要多高带宽的示波器才能精确测量?测量误差可达多少?

答:对 XAUI 接口 3.125GBd 串行差分信号,听起来有点象 InfiniBand 信号,用正弦内插的方式,或类似等效采样的方式来采集,但由于本身带宽和触发抖动等因素,在其测量 100ps ~ 130ps 范围内的上升时间时,采用 7GHz 差分探头可保证误差<3%,对于< 80ps 的上升时间测量,其误差会大于 10%, 虽然这已经是实时示波器中最好的方案,单就上升时间测量而言,最精确的方案是安捷伦的网络分析仪(需配上物理层分析软件),因为其带宽可高达 50GHz。


26. 对时钟的相位噪声参数的要求很高的设计,需要考虑哪些关键性的问题来降低相位噪声?

答:在 ADC,DAC 的器件中衡量性能有很多项指标:象位数、转换速度、DC 精度、开关性能、动态性能(SNR, SINAD,IMD)等等。


27. 对时钟的相位噪声参数的要求很高的设计,怎样测量相位噪声?

答:从示波器的角度来看,可以测试 ADC,DAC 的模拟和数字信号的幅度,时间,转换后的信号质量,转换速度,时钟和数据的建立/保持时间等参数,还可以通过 TDS 示波器中的高级运算功能(频谱分析功能)来定性测量 SNR,SINAD 等参数。


28. 由于可能需要引入外界的时钟,这样时钟存在 2 选 1 的问题,此时用什么方案才能使相位噪声的恶化最小?

答:首先要分析抖动产生的来源,示波器来分析抖动是一个很好的工具,目前可以使用TDS5000B/6000B/7000B系列示波器配合抖动分析软件进行彻底抖动分析,象确定抖动(Dj),随机抖动(Rj),Rj 和 Dj 的分离,最后通过分析造成抖动的原因来消除抖动。


29. 在示波器上看波形时,用外触发和自触发来看有何区别?

答:示波器的通常触发是边沿触发,其触发条件有 2 个,触发电平和触发边沿;即:信号的上升沿(或者下降沿)达到某一特定电平(触发电平)时,示波器触发。示波器只有在信号自触发有问题的时候才会使用外触发,没有哪一个更好的问题。而这种问题通常可能是,信号比较复杂, 有很多满足触发条件的点,无法每次在同一位置触发,从而得到稳定的显示。这时需要使用外触发。举例如下:观测上面的信号,由于 ABCD 各点都会触发,示波器显示波形将不能稳定。这时可以使用下面的信号作为触发信号,示波器将得到能够全部周期的显示。


30. TDS3032B 的带宽是 300MHz,采样频率为 2.5G/s,采样频率为带宽的 8 倍。请问带宽和采样频率之间有什么固定关系?我们也有一款其它厂家的示波器,如泰克示波器。带宽 100MHz、采样频率只有 200MHz。为什么两个示波器的带宽采样频率比相差这么大?

答:带宽是示波器最重要的指标,因为在数字示波器中有 ADC,它的采样率理论上需要满足 Nyquist采样定律,即被测信号的最高频率信号的每个周期理论上至少需要采 2 个点,否则会造成混叠。但是在实际上还取决于很多其它的因素,比如波形的重构算法等。泰克示波器采用先进的波形重构算法,被测信号的每个周期只需要 2.5 个点就能够重构波形。也有的示波器采用线性插值算法,可能就需要 10 个点。一般采样率是带宽的 4-5 倍就可以比较准确地再现波形。

泰克的 TDS3000B 系列是“实时采样”示波器,即,它的单次带宽(捕获单次信号的能力)=重复带宽,您所说的另一种示波器的单次带宽显然不到 100MHz,您可以看一下它的指标。


31. 示波器指标中的带宽如何理解?

答:带宽是示波器的基本指标,和放大器带宽的定义一样,是所谓的-3dB 点,即,在示波器的输入加正弦波,幅度衰减为实际幅度的 70.7%时的频率点称为带宽。也就是说,使用 100MHz 带宽的示波器测量 1V,100MHz 的正弦波,得到的幅度只有 0.707V。这还只是正弦波的情形。因此,我们在选择示波器的时候,为达到一定的测量精度,应该选择信号最高频率 5 倍的带宽。


32. 测量系统的总带宽如何获得?

答:测量系统的总带宽=0.35/上升时间(1GHz 以下示波器)。


33. 在带宽一定的条件下,采样频率太大是否也没有太大的意义?

答:带宽是限制被测信号高频分量被捕获的基本条件。使用泰克的示波器每个被测信号周期只需 2.5个点就能够最大限度的重构波形。其它一些示波器需要大于 4 个样点/周期,即 100MHZ 带宽示波器单次采集至少需要 400MS/s 的采样率,有些示波器甚至需要 10 个点(线性内插技术)才能保证采集信号有意义。


34. 所谓高斯响应示波器和平坦响应示波器各有何优缺点和适合的领域?

答:在示波器的规范中并没有平坦相应和高斯相应的指标。在示波器中会出现类似的比较或探讨,可能有如下原因:

众所周知,示波器是时域的仪器,从泰克发明第一台可触发的模拟示波器以来,示波器的带宽一直是最重要的指标,它是指示波器内部的前置放大器的模拟带宽。但是,示波器带宽的定义却是频域的定义,即正弦波幅度衰减到-3dB 点时的频率点。一个复杂高速信号含有丰富的频谱分量,如果需要精确测量信号,必须知道它们的每一个频谱分量的幅度和相位,所以示波器的幅频特性和相频特性非常重要。


从最近几年的发展来看,目前数字示波器的带宽越做越高,从泰克 2000 年推出 TDS7000 4GHZ 带宽示波器,2001 年推出 TDS6000 6GHZ 带宽示波器, 2003 年推出 TDS7704B 7GHZ 带宽示波器,到最近 TDS6804B 8GHZ 带宽示波器,带宽几乎每年都在提升。当示波器带宽到达几个 GHZ 时,前置放大器作为模拟器件,保证良好的幅频和相频特性越来越难,泰克是掌握这一最关键技术的唯一公司。有些厂商无法做到,就不得不采用其它的一些方法来修补模拟器件带宽的不足,获得更高的带宽,频响曲线自然发生变化。


随着目前各种高速信号越来越多,信号速率越来越快,对实时示波器提出了新的要求,示波器厂商的数字示波器中也出现了一些新的技术,最显著的是示波器通过数字信号处理技术(DSP)来得到更好的性能。DSP 就在数字示

波器主要应用包括:

  • 增强带宽

  • 更快的上升时间

  • 增益和波形校准与改善

  • 幅度和相位的改善

  • 光参考接收机归一化


其中泰克的第三代示波器(DPO)就是 DSP 技术的最好体现。合理的利用 DSP 可以提升示波器测试的信号保真度。但是,DSP 技术的使用会是每一个示波器的使用者产生迷惑,特别是在“带宽是否可以通过 DSP 可以提升”,“示波器的带宽是模拟带宽,和 DSP 技术有何关系”,“当前的示波器带宽到底是模拟带宽还是 DSP 带宽?”“DSP 技术带来的负面效应是什么?” 在泰克最新的 TDS6804B 8GHZ 带宽的示波器中的模拟带宽是 7GHZ,通过 DSP 增强后的带宽是8GHZ,为了保证每一个测试人员对这两种方式的理解,在 TDS6804B 中可以打开和关闭 DSP 的带宽增强功能。泰克将 DSP 增强带宽带来的优点和问题告诉每一个测试人员,帮助测试人员理解模拟带宽和 DSP增强带宽的测试结果,更好的进行高速信号测试。


35. 除高斯响应示波器和平坦响应示波器之外,还有基于其它响应的示波器吗?

答:示波器前置放大器的频响特性是决定测试结果的最关键因素,它由模拟器件决定。关键在于用何种方法来获得足够的频响。


36. 以前在用 TDS744,TDS745 等示波器时,使用的是无源探头(如 P6139A,带宽 500M)。在购买了有源探头(P6237)之后, 从测试波形来看(特别是测高频信号时),两者的测试结果差异较大. 从探头参数得知, 有源探头的输入电容<1pF,而无源探头则为 10pF 左右. 这样看来应该是有源探头的测试结果更能反映信号真实的情况. 既然无源探头对高频信号衰减很大, 那么 500M 的带宽有什么意义呢? 如何根据测试情况来选择使用有源或无源探头?

答:您的 P6139A 探头加上泰克的 500MHz 示波器典型带宽值还是可以达到 500MHz,但是正如您所说,其输入电容不同,这一电容将产生对于待测信号的负载效应,造成信号振铃,形状发生改变,因此这个时候使用有源探头


时能反映信号的真实情况。实际上,使用探头不光要考虑带宽,所有这些因素我们在测量高频信号的时候都要考虑:

  • 带宽/上升时间

  • 动态范围

  • 负载效应

  • 接地效应

  • 共振效应