6 波形参数测量
图8 示波器Vtop和Vbase参数的测量
图9 幅度/最大值/最小值/峰峰值的测量
示波器可测试的电压参数很多,比较重要的有:最大值、最小值、峰峰值(定义为最大值减去最小值)、幅度值(定义为Vtop减去Vbase),有效值,过冲等。
过冲定义为下图右上角公式,指的是高出Vtop或低于Vbase的部分与幅度的比值,取百分比。
图10 过冲的测量
示波器可测试的时间参数很多,比较重要的有:上升时间/下降时间,周期,脉冲宽度(正脉冲宽度/负脉冲宽度)等等。最近示波器又增加了针对Burst信号的测量,包括:Burst 宽度,Burst 周期,
图11 上升时间/下降时间的测量
图12 Burst宽度的测量
频率的测量是基于周期的测量,然后做倒数运算而来。占空比的测量也是基于脉宽和周期的测量,然后运算而来(公式如下图右上角)。
图13 周期/频率/脉宽/占空比的测量
多通道的多个信号关系的测量也是关键的时间参数测量,包括:时间差(2个通道边沿的时间偏差,可以是上升沿或下降沿),相位(时间差与周期之比,乘以360°),建立时间和保持时间(相对于时钟的上升沿或下降沿,数据信号的建立时间或保持时间)等。
这些参数测量前需要进行通道时间偏差校准,即把两个通道连接到同一个信号,手动做时间偏差校准(即Deskew)。
图14 时间差/相位,建立时间和保持时间的测量
7 示波器探头技术
示波器因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围,使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路,如下图:
图15 示波器的探头
探头的选择和使用需要考虑如下两个方面:
其一:因为探头有负载效应,探头会直接影响被测信号和被测电路;
其二:探头是整个示波器测量系统的一部分,会直接影响仪器的信号保真度和测试结果。
图16 示波器探头的负载效应
阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻,对被测信号有分压的作用,影响被测信号的幅度和直流偏置。有时,加上探头时,有故障的电路可能变得正常了。一般推荐探头的电阻R>10倍被测源电阻,以维持小于10%的幅度误差。
图17 示波器探头的阻性负载效应
容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容,对被测信号有滤波的作用,影响被测信号的上升下降时间,影响传输延迟,影响传输互连通道的带宽。有时,加上探头时,有故障的电路变得正常了,这个电容效应起到了关键的作用。一般推荐使用电容负载尽量小的探头,以减小对被测信号边沿的影响。
图18 示波器探头的容性负载效应
感性负载来源于探头地线的电感效应,这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振,从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃,需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃,检查确认的方法是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的地线,一般地线电感=1nH/mm。
图19 示波器探头的感性负载效应
低阻电阻分压探头具备较低的电容负载(<1pf),较高的带宽(>1.5GHz),较低的价格,但是电阻负载非常大,一般只有500ohm或1Kohm,所以只适合测试低源阻抗的电路,或只关注时间参数测试的电路。
图20 低阻电阻分压探头结构原理
带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头,一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻(一般1Mohm以上),可调的补偿电容,以匹配示波器的输入,具备较高的动态范围,可以测试较大幅度的信号(几十幅以上),价格也较低。但是不知之处是输入电容过大(一般10pf以上),带宽较低(一般500MHz以内)。
图21 带补偿的高阻无源探头结构原理
带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容,当接上示波器时,一般需要调整电容值(需要使用探头自带的小螺丝刀来调整,调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置),以与示波器输入电容匹配,以消除低频或高频增益。下图的左边是存在高频或低频增益,调整后的补偿信号显示波形如下图的右边所示。
图22 带补偿的高阻无源探头补偿校准原理和方法
高压探头是带补偿的无源探头的基础上,增大输入电阻,使得衰减加大(如:100:1或1000:1等)。因为需要使用耐高压的元器件,所以高压探头一般物理尺寸较大。
图23 单端有源探头结构原理
差分探头结构图如下,使用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分探头的输入阻抗较高(一般达50Kohm以上),而输入电容较小(一般小于1pf),通过差分探头放大器后连接到示波器,示波器必须使用50ohm 输入阻抗。差分探头带宽非常宽(现在可达30GHz),负载非常小,具有较高共模抑制比,但是价格相对较高(一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10% 左右),动态范围也较小(这个需要注意,因为超过探头动态范围的信号,不能正确测试。一般动态范围3V左右),比较脆弱,使用需小心。
差分探头适合测试高速差分信号(测试时不用接地),适合放大器测试,电源测试,适合虚地测试等应用。
图24 差分探头结构原理
电流探头也是有源探头,利用霍尔传感器和感应线圈实现直流和交流电流的测量。电流探头把电流信号转换成电压信号,示波器采集电压信号,再显示成电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流,使用时需要引出电流线(电流探头是把导线夹在中间进行测试的,不会影响被测电路)。
电流探头在测试直流和低频交流时的工作原理:
当电流钳闭合,把一通有电流的导体围在中心时,响应地会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转,在霍尔传感器的输出产生一个电动势。电流探头根据这个电动势产生一个反向(补偿)电流送至电流探头的线圈,使电流钳中的磁场为零,以防止饱和。电流探头根据反向电流测得实际的电流值。用这个方法,能够非常线性的测量大电流,包括交直流混合的电流。
8 采样示波器原理
采样示波器也是非常常用的电子仪器,有四大功能:
1) 高带宽示波器功能;
2) 时域反射计TDR功能;
3) 光眼图分析仪功能;
4) 抖动分析仪功能。
采样示波器是高精度测试仪器,仪器结构原理图如图25所示。
图25 采样示波器结构框图
采样示波器由两部分组成,主机和插拔模块。主机包括ADC转换器,数据存储器,触发器和顺序延时产生器。ADC转换器的指标通常是转换位数14bits,转换速率20KSa/s。这么低的转换速率为何能够测量高速的光或电信号(比如10Gbps的数字信号)?
秘诀就在模块,模块由3部分组成:
1) 采样头
2) 中频放大器
3) 脉冲滤波器
采样头把高速信号变成短时间的直流信号,通过中频放大后,让主机的ADC进行数字化。而每个短时间的直流信号数据组合在一起,就变成了能够显示在屏幕上的波形,波形的时间信息通过数学运算显示为真实信号的时间信息。所以采样示波器只能够测试重复或半重复的信号(象LVDS就属于半重复的信号,按参考时钟或内嵌时钟重复,示波器屏幕上观察到的是眼图。如果LVDS码型重复的话,也可以观察到每个位波形,这时候需要使用PatternLock触发或帧头触发)。
采样示波器的关键器件是采样头。也因为这样的结构,使得采样示波器的带宽可以做得非常高,比如模拟带宽高达90GHz以上,而且测试精度较高(因为ADC的位数达到14bits,频谱分析仪才有这样的采样性能)。影响精度的另一个关键部件是顺序延时产生器,它的延时精度直接影响波形时间精度。
参考文献
[1]孙灯亮 编著. 数字示波器原理和应用[M].上海:上海交通大学出版社.[2012].
[2]Agilent Technologies, Inc. 86100C Help Mannual[R/DK]. Santa Clara: Agilent Technologies, Inc.[2005].
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