测试测量关键基础之示波器(一)

2012-03-22 14:28:58来源: 互联网

一、示波器不可不知的问题

  Q1: 在高速串行测试时,对测试所需示波器有什么样的要求?哪几个指标是最关键的?

  A: 基本来说对带宽和采样率要满足串行信号的要求,接下来就需要考察是否是差分信号,以及示波器对串行测试的分析功能,比如说码型的触发和解码等等。

  Q2: 在测量高速数字信号时,示波器的带宽是不是一定要是信号频率的5倍以上?为什么?

  A: 选择示波器的带宽,一般是被测信号的速率的2.5倍或信号最高频率的5倍,这样可以看到高速信号的5次谐波。

  Q3: 测试时的带宽是如何影响测试结果?对测试仪器的带宽有何要求?

  A: 首先,带宽不足会损失掉信号的高频谐波分量,导致时间和幅度测试的不准确。然而即使带宽相同的示波器会表现出不同的上升时间,对应用来说,测量上升沿上发生的错误非常关键,另外在数据信号中,对眼图的张开度影响也很大。正因如此,上升时间指标对在时域中执行测量的设备(示波器)非常重要。

  Q4: 带宽是否越高越好?

  A: 前面提到,目前广泛使用的电路板、连接器、电缆和集成模块的上升时间非常有限,以至于高速信号经过传输之后高频分量损耗严重。许多新的第三代标准(USB3.0, PCIE Gen3, 10G-KR)已经考虑到这一点,要求的带宽比以前低得多。当然,也有一些例外情况,要求更高的带宽。比如100G以太网方案,它采用复杂的调制技术(DP-QPSK),要求四个模拟输入及超过20 GHz的带宽进行分析。鉴于这些应用,泰克已经宣布,其带宽超过30GHz的示波器将于今年下半年晚些时候推出。

  Q5: 怎样才能提高测试仪器的灵敏度呢?

  A: 选择合适的带宽,带宽过大会增加噪声,在垂直设置上,尽可能让信号填满屏幕,好充分利用示波器的AD位数,可以采用波形平均,合适的探头的带宽,选择高分辨率 (Hi-res) 采集模式等等。

  Q6: 在对系统设计进行调试时,确认异常现象并在短时间内弄清电路的运行条件,如何增加捕捉异常现象的机会?

  A: 使用DPX技术,并打开无限余辉,几秒钟就可以看到平时可能数小时看不到的异常信号。该性能提高了见证数字系统中出现的瞬态事件的几率,这些瞬态事件包括短脉冲、毛刺和转换误差等。

二、如何操作无使用说明书的示波器

  示波器的型号多种多样,其中无使用说明书的示波器占很大比例,这对于初次使用示波器的初学者十分不便。本文根据实践经验,就如何操作无使用说明书的示波器作简单介绍,希望能给初学者带来帮助。

  一、常见示波器面板功能键、钮的标示及作用

  1.Power(电源开关):接通或关断整机输入电源。

  2.FOCUS(聚焦)和ASTIG(辅助聚焦):常为套轴电位器,用于调整波形的清晰度。

  3.ROTATION(扫描轨迹旋转控制):调整此旋钮可以使光迹和座标水平线平行。

  4.ILLUM(坐标刻度照明):用于照亮内刻度坐标。

  5.A/B INTEN(A/B亮度控制):通常为套轴电位器,作用是调节A和B扫描光迹的亮度。

  6.CAL 0.5Vp-p(校正信号输出):提供0.5Vp-p且从0电平开始的正向方波电压,用于校正示波器。

  7.VOLTS/div(电压量程选择):通常电压量程和幅度微调为套轴电位器,外调节旋钮是电压量程选择,转动此旋钮以改变电压量程;中间带开关的电位器为电压量程微调,顺时针旋到底为校正位置,逆时针调节,波形幅度,变化范围在电压/格两档之间。

  8.CH1和CH2(输入信号插座):为示波器提供输入信号。

  9.AC GND DC(输入耦合开关):用于选择输入信号的耦合方式。

  10.GRIG SEL(内同步选择):按下此键,以CH1和CH2分别作为内同步信号源。

  11.CH POL(信号倒相):按下此键,输入信号倒相180°。

  12.VERTICAL MODE(垂直工作方式选择):分别按下CH1、CH2、ALT、COHP、ADD、X-Y键,屏幕显示依次为CH1、CH2、CH1和CH2交替、CH1和CH2断续、CH1和CH2代数和、CH1垂直/CH2水平等方式。

  13.POSITION(位移调节):调节CH1和CH2输入信号0电平在屏幕的起始位置。

  14.UNCAL(不校正指示):当CH1和CH2电压量程微调不在校正位置时,对应的不校正指示灯点亮。

  15.TIME(扫描时间调整):外旋钮调节A扫描速度,内旋钮调节B扫描速度。

  16.B.VAR、TRACE SEP(B扫描微调和A/B扫描轨迹分离):一般情况下,涂有红色的旋钮为B扫描微调,提供连续可变的非校正B扫描速度。

  17.DELAY TIME(扫描延迟时间调节):选择A和B扫描启动之间的延迟时间。

  18.POSITION(水平位移控制):使显示波形作水平位移。

  19.SWEEP MODE(触发同步方式):其中AUTO为自动触发、NORM为常态触发、HF为高频触发、SINGLE为单扫描触发。

  20.LEVEL HOLD OFF(电平和释抑调节):是电平调节触发同步后,使信号同步稳定的辅助调节器。

  21.TRIGD(触发同步状态指示):一旦扫描电路被触发同步后 ,指示灯点亮。

  22.SLOPE(斜率开关):选择触发信号的斜率,开关置"+"时,扫描以触发信号的正斜率触发;开关置"-"时,扫描以触发信号的负向斜率触发。

  23.COUPLING(触发耦合开关):决定扫描触发源的耦合方式。AC为交流耦合、DC为直流耦合、TV为电视场/行同步耦合、HFREJ为同步耦合。

  24.SOURCE(触发源选择开关):INT为CH1或CH2输入信号触发、LINE为市电内电源触发、EXT为外输入信号触发。

  二、一般使用方法

  1.获得基线:

  使用无使用说明书的示波器时,首先应调出一条很细的清晰水平基线,然后用探头进行测量,步骤如下。

  (1)预置面板各开关、旋钮。 亮度置适中位置,聚焦和辅助聚焦置适中位置,垂直输入耦合置"AC",垂直电压量程选择置适当档位(如"5mV/div"),垂直工作方式选择置"CH1",垂直灵敏度微调校正置"CAL",垂直通道同步源选择置中间位置,垂直位置置中间,A和B扫描时间均置适当档位(如"0.5ms/div"),A扫描时间微调置校准位置"CAL",水平位移置中间,扫描工作方式置"A",触发同步方式置"AUTO",斜率开关置"+",触发耦合开关置"AC",触发源选择置"INT"。

  (2)按下电源开关,电源指示灯亮。

  (3)调节A亮度聚焦等有关控制旋钮,可出现纤细明亮的扫描基线,调节基线使其位置于屏幕中间与水平坐标刻度基本重合。

  (4)调节轨迹旋转控制使基线与水平坐标平行。

  2.显示信号;

  一般示波器均有0.5Vp-p标准方波信号输出口,调妥基线后,即可将探头接入此插口,此时屏幕应显示一串方波信号,调节电压量程和扫描时间旋钮,方波的幅度和宽度应有变化,至此说明该示波器基本调整完毕,可以投入使用。

  3.测量信号:

  将测试线接入CH1或CH2输入插座,测试探头触及测试点,即可在示波器上观察波形。如果波形幅度太大或太小,可调整电压量程旋钮;如果波形周期显示不合适,可调整扫描速度旋钮。

三、选择合适示波器带宽方法

  带宽是大多数工程师在选择一款示波器时首先考虑的参数。本文将为您提供一些有用的窍门,教您如何为您的数字和模拟应用选择合适的示波器带宽。

  数字应用需要的示波器带宽

  经验告诉我们,示波器的带宽至少应比被测系统最快的数字时钟速率高5倍。如果我们选择的示波器满足这一标准,那么该示波器就能以最小的信号衰减捕捉到被测信号的5次谐波。信号的5次谐波在确定数字信号的整体形状方面非常重要。但如果需要对高速边沿进行精确测量,那么这个简单的公式并未考虑到快速上升和下降沿中包含的实际高频成分。

  公式:fBW ≥ 5 x fclk

  确定示波器带宽的一个更准确的方法是根据数字信号中存在的最高频率,而不是最大时钟速率。数字信号的最高频率要看设计中最快的边沿速度是多少。因此,我们首先要确定设计中最快的信号的上升和下降时间。这一信息通常可从设计中所用器件的公开说明书中获取。

  第一步:确定最快的边沿速度

  然后就可以利用一个简单的公式计算信号的最大“实际”频率成分。Howard W. Johnson博士就此题目写过一本书《高速数字设计》。在书中,他将这一频率成分称为“拐点 ”频率(fknee)。所有快速边沿的频谱中都包含无限多的频率成分,但其中有一个拐点(或称“knee”),高于该频率的频率成分对于确定信号的形状就无关紧要了。

  第二步:计算fknee

  fknee = 0.5/RT (10% - 90%)

  fknee = 0.4/RT (20% - 80%)

  对于上升时间特性按照10% 到90%阀值定义的信号而言,拐点频率fknee等于0.5除以信号的上升时间。对上升时间特性按照20% 到80%阀值定义的信号而言(如今的器件规范中通常采用这种定义方式),fknee等于0.4除以信号的上升时间。但注意不要把此处的信号上升时间与示波器的上升时间规格混淆了,我们这里所说的是实际的信号边沿速度。

  第三步就是根据测量上升时间和下降时间所需的精确程度来确定测量该信号所需的示波器带宽。表1给出了对于具备高斯频响或最大平坦频响的示波器而言,在各种精度要求下需要的示波器带宽与fknee的关系。但要记住的是,大多数带宽规格在1 GHz及以下的示波器通常都是高斯频响型的,而带宽超过1 GHz的通常则为最大平坦频响型的。

  表1:根据需要的精度和示波器频率响应的类型计算示波器所需带宽的系数

  

 

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关键字:测试  测量  示波器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0322/article_15328.html
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