談示波器第二回——模擬和數字示波器測試性能的具體表現

這一回主要討論模擬和數字示波器在測試方面的具體表現，并給出適用的場合，以便大家在測試的時候做出恰如其分的選擇。此處選擇的模擬示波器是日立的V252，這個款示波器的保有量非常的大，最早的型號是V212，國內廠商多有仿制，日立（Hitachi)也是迄今為止仍在生產模擬示波器的廠商。數字示波器是泰克TDS3000系列中的TDS3014，TDS3000的經典性也是毋庸多疑，國內工程師也多有接觸。TDS3000系列自從1994年首次發布，一直到今天仍在服役，并誕生了DPO的概念，但值得注意的是此DPO指的是軟件模擬的，更多指的是模擬余暉，與大家熟悉的采用了DPX芯片的DPO不是一個概念。

測試前的準備
模擬示波器由于沒有自校準功能，所以每次在使用之前最好進行一下簡單的校正，除非這個示波器是你正在使用的，沒有別人動過。具體做法是連接面板上1kHz@0.5V的校準信號，調節水平檔位的時基旋鈕到1mS或者0.5mS，再調整SWP VAR使得校準信號的一個周期正好占據屏幕上的1格（1mS/div）或2格（0.5mS/div）。然后調整Position 旋鈕使得基線占據整個窗口，也可以右移使得掃描起點也就是觸發點從屏幕的中心開始。由于V252沒有Autoset功能，所以要設置合適的觸發電平，使得波形穩定顯示。
注意，剛出廠的示波器廠商已調整過，一般不需調整，但二手或者工作場所在地理空間上比較大的變化的時候需要重新校準。
數字示波器每次開機時，都會進行自檢和自校正，所以水平時基不需要手動校準。但無論是哪種示波器在使用探頭時都要進行補償，因為每臺示波器需要的補償電容都是不一樣的。

測量小信號
雖然示波器不是測試小信號的最佳選擇，但在測試傳感器之類的信號時，往往會遇到mV級的信號，雖然為了提供信噪比，并將mV級的信號放大到示波器便于測試的水平，比如放大10被到10mV級，但能不加放大器而直接觀測當然最好不過。下面就來看看兩種示波器的表現。


如圖所示，待測信號為一 5MHz@5mVpp的正弦，信號源和示波器之間采用BNC連接。TDS3014設置為自動余暉，但基線依然非常粗糙，基線的Vpp值超過1mV，而V252的波形則非常干凈。V252的最小時基0.2uS，此處使用了x10 MAG功能，將水平掃描速度放大10倍，時基擴展后設置為5nS/div，同樣的垂直分辨率最小只有5mV/div，也使用了x5 Gain 功能，擴展到1mV/div。
由于模擬示波器比起數字示波器來不易耦合噪聲，或者說沒有數字示波器那么靈敏，更加適合測試小信號，尤其是mV級信號，這也是眾多Hifi發燒友鐘情于模擬示波器的原因之一。

測量方波
示波器的帶寬是按正弦波定義的，但方波含有豐富的諧波，一般測試方波至少要測到5次諧波，測試方波所需帶寬更準確的計算方法是看上升沿。
Bw=0.35/Tr
上述公式適用于帶寬1GHz以下的，采用高斯響應的示波器。



如圖所示待測信號為5MHz@5Vpp，上升沿約18nS的方波，5次諧波是25MHz，用上升沿計算得出的帶寬為19.4MHz，V252的帶寬為20MHz，剛能滿足要求。 可以看得出V252顯示的波形上下過沖更小，上升沿跟TDS3014的一樣。值得注意的時，由于V252的水平時基位于0.2uS/div時，標明MAG UNCAL，所以此時的時基不是非常準確。

再來一張，多個周期，TDS3014顯示方波的過沖要比V252明顯的多。

測量GND耦合
幾乎所有示波器的通道耦合都有GND，顧名思義，GND時將輸入直接接地，此時可以查看基線的垂直位置，理想示波器的基線是位于0電平的一條直線。但事實上當連接輸入信號時，GND往往會耦合輸入通道上的信號，使得GND耦合不再是一條直線。所有做過高速電路的人幾乎都有這個經驗，地噪聲或者叫地彈是不容忽視的因素。

輸入5MHz@5Vpp 正弦波，選擇5V是數字電路中常見的CMOS電平也是5V。TDS3014只有不到20mVpp的噪聲，而V252則超過了40mVpp。

輸入5MHz@5Vpp的方波。TDS3014顯示的噪仍然不超過20mVpp，而V252則不但超過了100mVpp,而且波形不再是方波。

輸入3MHz@5Vpp的脈沖，TDS3014地上耦合的噪聲達到36mVpp，但波形仍然是脈沖。V252地上耦合的噪聲不大達到了近100mVpp，而且變成了類似Burst的波形。

測試相位
利用李薩茹圖形，示波器可以方便的測出兩個信號之間的相位差。CH1（x）CH2（y）輸入2個頻率相同，但相位不一樣的信號。

注意，V252的圖形看上去比TDS3014干凈的多，但實際上是由于信號變化的很快，而且V252沒有無線余暉功能，所以圖中不出來變化，但實際測試的時候，留意看，還是可以看到一閃而過的信號軌跡。拋第一個問題，請問，這個波形的表示的相位是多少？


跟上圖一樣，雖然圖中反映不出來，但留意觀察，仍然能在V252上看到原中央一閃而過的軌跡。這也是普通模擬示波器的一個顯著缺點，雖然有余暉，但不能保持，也不能長到讓人觀察清楚快速變化的信號。