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新型数字示波器的应用

为帮助工程师解决测试挑战,《电子工程专辑》网站日前特别推出了“新型数字示波器的应用”专题研讨论坛,并邀请到安捷伦科技公司电子仪器与系统事业部全球市场经理Johnnie Hancock及亚太区示波器和数字电路测试业务开发经理杜吉伟担任论坛嘉宾,工程师就新型数字示波器的应用与专家进行了交流。我们现将论坛中的精彩问答以l0个问答的形式刊出,希望能使更多的工程师从中受益。　　示波器一直是工程师设计、调试产品的好帮手。但随着计算机、半导体和通信技术的发展,电路系统的信号时钟速度越来越快,信号上升时间也越来越短,导致因底层模拟信号完整性问题引发的数字错误日益突出。针对这些新的测试挑战,示波器供应商不断推出了性能更好的数字示波器。但要想准确快速地对系统信号进行分析,测量时还有很多新的因素必须考虑。如仪器速度能否跟上被测信号的变化、带宽是否足够、测量方**不会引入干扰,甚至还有所使用的探头是否合适等等。　　下面是本次论坛中一些有代表性,同时也是工程师比较关注的问题及专家的解答,如果您对本文及观点有其它意见与建议,欢迎和我们联系。　　问题1:每一台示波器都有一个频率范围,例如10M、60M、100M...我手头上使用的示波器标称为60MHz,是不是可以理解为艺*大可以溯到60MHz,可我用它测4.1943MHz的方波时都测不到,总是什么原因呢? 　　答:60MHz带宽示波器,并不意味着它可以很好地测量60MHz的信号。根据示波器带宽的定义,如果输入峰峰值为lV的60MHz正弦波到60MHz带宽示波器上,那么您在示波器上将可以看到0.707V的信号(30%幅值测量误差)。如果测试方波,选择示波器的参考标准应是信号上升时间,示波器带宽=0.35/信号上升时间×3,此时您的上升时间测量误差为5.4%左右。　　示波器的探头带宽也很重要,若使用的示波器探头包括其前端附件构成的系统带宽很低,将会使示波器带宽大大下降。如若使用20MHz带宽的探头,则能实现的*大带宽是20MHz,如果在探头前端使用连接导线,将会进一步降低探头性能,但对4MHz左右方波不应有太大影响,因为速度不是很快。　　另外,还要看一下示波器使用手册,有的60MHz示波器在1:1设置下,其实际带宽将会锐减到6MHz以下,对于4MHz左右的方波,其三次谐波是12MHz,五次谐波是20MHz,如果带宽降到6MHz,对信号幅值衰减很大,即使能看到信号也**不是方波,而是幅值被衰减了的正弦波。　　当然,测不出信号的原因可能有很多种,如探头接触不好(该现象很容易排除),建议用BNC电缆连接一函数发生器,检验该示波器本身有没有问题,探头有没有问题,如有问题,可以和厂商直接联系。　　问题2:存些瞬时信号稍纵即逝,如何捕捉并使其重现? 　　答:将示波器设置成单次采集方式(触发模式设置成Normal,触发条件设置成边沿触发,并将触发电平调到适当值,然后将扫描方式设置成单次方式),注意示波器的存储深度将决定您能采集信号的时间以及能用到的*大采样速率。　　问题3:在PLL中周期抖动可以衡量一个设计的好坏,但是要**测量却非常困难,存什么方法和技巧吗? 　　答:在使用示波器时,要注意其本身的抖动相关指标是否满足您的测试需求,如示波器本身的触发抖动指标等。同时要注意使用不同的探头和探头连接附件时,若不能保证示波器的系统带宽,测量结果也会不准确。另外关于PLL设置时间的测量,可使用示波器+USB-GPIB适配器+软件选件来完成,也可以用较为便宜的调制域分析仪。　　问题4:为什么我的示波器有时候抓不到经过放大后的启流信号呢？　　答:如果信号的确存在,但示波器有时能抓到有时抓不到,这就可能和示波器的设置有关系。通常可将示波器触发模式设置成Normal,触发条件设置成边沿触发,并将触发电平调到适当值,然后将扫描方式设置成单次方式。如果这种方式还不行,那就可能是仪器出了问题。　　问题5:如何测量电源纹波？　　答:可以先用示波器将整个波形捕获,然后将关心的纹波部分放大来观察和测量(自动测量或光标测量均可),同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析。　　问题6:新型数字示波器怎样用于单片机开发? 　　答:I2C总线信号一般工作速率不会超过400kbps,*近也出现了几Mbps的芯片,有的示波器在设置触发条件时,无需顾及不同速率的影响,但对其它总线,如CAN总线,则需要先在示波器上设置CAN总线当前的实际工作速率,以便示波器能够正确理解协议并正确触发。若想对Inter-IC总线信号进行进一步的分析,如协议级分析,可使用逻辑分析仪,但相对来说价格比较高。　　问题7:关于模拟和数字示波器此校的问题:1.模拟和数字示波器在观察波形的细部时,哪一个更具存优势呢(例如在过零点和峰值时,观察l%以下寄生波形)？2.数字示波捞一般提供在线显示均方根值,它的精度一般是多少呢? 　　答:1.观察1%以下寄生波形,无论是模拟示波器还是数字示波器,观察精度都不是很好。模拟示波器的垂直精度未必比数字示波器更高,如某500MHz带宽的模拟示波器垂直精度是±3%,这并不比数字示波器(通常精度为l~2%)更具优势,而且对细节,数字示波器的自动测量功能比模拟示波器的人工测量更**。　　2.对于示波器的幅值测量精度,很多人用A/D位数来衡量。实际上,随着您所用的示波器带宽、实际采样率设置等,它会有所变化。如果带宽不够,本身带来的幅值测量误差就很大,若带宽够了,采样设置很高,实际的幅值测量精度也不如采样率低时候的精度(您有时可参考示波器的用户手册,它可能会给出不同采样率下,示波器的A/D实际有效位数)。总的来讲,示波器测量幅值,包括均方根值的精度往往不如万用表,同理,测量频率它不如频率计数器。　　问题8:毛刺触发指标有什么意义(例如5ns)呢?假如有一个l00MHz的示波器,测量的方波信号大约是l0M左右,而且是占空比l:l左右的方波,设想一下，一个10M的方波,它的正向或者负向的脉宽都是50ns,那么在什么样的情况下才能真正用到5ns这个性能呢？　　答:毛刺/脉宽触发一般有以下两种典型的应用场合,一种是同步电路行为,如利用它来同步串行信号,或对于干扰非常严重的应用无法用边沿触发正确同步信号时,脉宽触发就是一个选择;另一种是用来发现信号中的异常现象,如因干扰或竞争引起的窄毛刺,由于该异常是偶发显现,所以必须用毛刺触发来捕获(也有一种方法是峰值检测方式,但是,峰值检测方法有可能受其*大采样率的限制,所以一般是只能看而不能测)。　　在问题所提的例子当中,如果被测对象的脉冲宽度是50ns,而且该信号没有任何问题,也就是说没有因为干扰、竞争等问题而引起的信号畸变或者变窄,那么用边沿触发就可以同步该信号,而无需使用毛刺触发。根据不同的应用,未必会使用到5ns这个指标,一般用户将脉宽触发设置为1Ons~30ns。　　问题9:选择示波器时,一般考虑*多的是带宽,那么在什么倩况下要对采样速率存所考虑呢？　　答:取决于被测对象。在带宽满足的前提下,希望*小采样间隔(采样率的倒数)能够捕捉到您需要的信号细节。业界有些关于采样速��经验的公式,但基本上都是针对示波器带宽得出的,实际应用中,*好不用示波器测相同频率的信号。若在选型时,对正弦波选择示波器带宽应是被测正弦信号频率的3倍以上,采样率是带宽的4到5倍,也即实际上是信号的12到15倍;若是其它波形,要保证采样率足以捕获信号细节。　　若您正在使用示波器,可通过以下方法验证采样率是否够用:将波形停下来,放**形,若发现波形有变化(如某些幅值)就说明采样率不够,否则无碍。另外也可用点显示来分析采样率是否够用。　　问题10:如何理解“考核波形采样率够不够时,将波形停下来,放**彩,若发现波形有变化(如某些幅值)就说明采样率不够,否则无碍。也可用点显示来分折采样率是否够用。”这一段话？　　答:我有幸给用户做过实测,曾亲历这种现象。　　当时被测对象是一种看上去很随机且高速变化的信号,用户将触发电平设在-13V左右。波形采集下来后想放大测量细节时,却发现改变示波器时基(SEC/DIV)设置时,信号幅值突然变小,我当时将示波器改成点显示,发现好像是点数(存储深度)不够,但我比较点显示和矢量显示后,发现若矢量显示有一定可信性,那么就是当前的两个采样间隔(采样率的倒数)中信号有突变,但未能被采集到(采样间隔不够细,即采样率不够高)。我换了一台同样存储深度但采样率较高的示波器,发现问题消失了。　　存储深度也会影响示波器能用到的实际*大采样率。存储深度太浅可能是个问题,因为存储深度可能限制能实际用到的*大采样速率,但实质上是采样率不够,丢失了信号细节。存储深度不够深,可能会导致实际采样率不高,这跟厂商提供的指标关系不大。

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