測試測量關鍵基礎之示波器（一）

一、示波器不可不知的問題

　　Q1: 在高速串行測試時，對測試所需示波器有什么樣的要求?哪幾個指標是最關鍵的?

　　A: 基本來說對帶寬和采樣率要滿足串行信號的要求，接下來就需要考察是否是差分信號，以及示波器對串行測試的分析功能，比如說碼型的觸發和解碼等等。

　　Q2: 在測量高速數字信號時，示波器的帶寬是不是一定要是信號頻率的5倍以上?為什么?

　　A: 選擇示波器的帶寬，一般是被測信號的速率的2.5倍或信號最高頻率的5倍，這樣可以看到高速信號的5次諧波。

　　Q3: 測試時的帶寬是如何影響測試結果?對測試儀器的帶寬有何要求?

　　A: 首先，帶寬不足會損失掉信號的高頻諧波分量，導致時間和幅度測試的不準確。然而即使帶寬相同的示波器會表現出不同的上升時間，對應用來說，測量上升沿上發生的錯誤非常關鍵，另外在數據信號中，對眼圖的張開度影響也很大。正因如此，上升時間指標對在時域中執行測量的設備(示波器)非常重要。

　　Q4: 帶寬是否越高越好?

　　A: 前面提到，目前廣泛使用的電路板、連接器、電纜和集成模塊的上升時間非常有限，以至于高速信號經過傳輸之后高頻分量損耗嚴重。許多新的第三代標準(USB3.0, PCIE Gen3, 10G-KR)已經考慮到這一點，要求的帶寬比以前低得多。當然，也有一些例外情況，要求更高的帶寬。比如100G以太網方案，它采用復雜的調制技術(DP-QPSK)，要求四個模擬輸入及超過20 GHz的帶寬進行分析。鑒于這些應用，泰克已經宣布，其帶寬超過30GHz的示波器將于今年下半年晚些時候推出。

　　Q5: 怎樣才能提高測試儀器的靈敏度呢?

　　A: 選擇合適的帶寬，帶寬過大會增加噪聲，在垂直設置上，盡可能讓信號填滿屏幕，好充分利用示波器的AD位數，可以采用波形平均，合適的探頭的帶寬，選擇高分辨率 (Hi-res) 采集模式等等。

　　Q6: 在對系統設計進行調試時，確認異常現象并在短時間內弄清電路的運行條件，如何增加捕捉異常現象的機會?

　　A: 使用DPX技術，并打開無限余輝，幾秒鐘就可以看到平時可能數小時看不到的異常信號。該性能提高了見證數字系統中出現的瞬態事件的幾率，這些瞬態事件包括短脈沖、毛刺和轉換誤差等。

二、如何操作無使用說明書的示波器

　　示波器的型號多種多樣，其中無使用說明書的示波器占很大比例，這對于初次使用示波器的初學者十分不便。本文根據實踐經驗，就如何操作無使用說明書的示波器作簡單介紹，希望能給初學者帶來幫助。

　　一、常見示波器面板功能鍵、鈕的標示及作用

　　1.Power(電源開關)：接通或關斷整機輸入電源。

　　2.FOCUS(聚焦)和ASTIG(輔助聚焦)：常為套軸電位器，用于調整波形的清晰度。

　　3.ROTATION(掃描軌跡旋轉控制)：調整此旋鈕可以使光跡和座標水平線平行。

　　4.ILLUM(坐標刻度照明)：用于照亮內刻度坐標。

　　5.A/B INTEN(A/B亮度控制)：通常為套軸電位器，作用是調節A和B掃描光跡的亮度。

　　6.CAL 0.5Vp-p(校正信號輸出)：提供0.5Vp-p且從0電平開始的正向方波電壓，用于校正示波器。

　　7.VOLTS/div(電壓量程選擇)：通常電壓量程和幅度微調為套軸電位器，外調節旋鈕是電壓量程選擇，轉動此旋鈕以改變電壓量程;中間帶開關的電位器為電壓量程微調，順時針旋到底為校正位置，逆時針調節，波形幅度，變化范圍在電壓/格兩檔之間。

　　8.CH1和CH2(輸入信號插座)：為示波器提供輸入信號。

　　9.AC GND DC(輸入耦合開關)：用于選擇輸入信號的耦合方式。

　　10.GRIG SEL(內同步選擇)：按下此鍵，以CH1和CH2分別作為內同步信號源。

　　11.CH POL(信號倒相)：按下此鍵，輸入信號倒相180°。

　　12.VERTICAL MODE(垂直工作方式選擇)：分別按下CH1、CH2、ALT、COHP、ADD、X-Y鍵，屏幕顯示依次為CH1、CH2、CH1和CH2交替、CH1和CH2斷續、CH1和CH2代數和、CH1垂直/CH2水平等方式。

　　13.POSITION(位移調節)：調節CH1和CH2輸入信號0電平在屏幕的起始位置。

　　14.UNCAL(不校正指示)：當CH1和CH2電壓量程微調不在校正位置時，對應的不校正指示燈點亮。

　　15.TIME(掃描時間調整)：外旋鈕調節A掃描速度，內旋鈕調節B掃描速度。

　　16.B.VAR、TRACE SEP(B掃描微調和A/B掃描軌跡分離)：一般情況下，涂有紅色的旋鈕為B掃描微調，提供連續可變的非校正B掃描速度。

　　17.DELAY TIME(掃描延遲時間調節)：選擇A和B掃描啟動之間的延遲時間。

　　18.POSITION(水平位移控制)：使顯示波形作水平位移。

　　19.SWEEP MODE(觸發同步方式)：其中AUTO為自動觸發、NORM為常態觸發、HF為高頻觸發、SINGLE為單掃描觸發。

　　20.LEVEL HOLD OFF(電平和釋抑調節)：是電平調節觸發同步后，使信號同步穩定的輔助調節器。

　　21.TRIGD(觸發同步狀態指示)：一旦掃描電路被觸發同步后 ，指示燈點亮。

　　22.SLOPE(斜率開關)：選擇觸發信號的斜率，開關置"+"時，掃描以觸發信號的正斜率觸發;開關置"-"時，掃描以觸發信號的負向斜率觸發。

　　23.COUPLING(觸發耦合開關)：決定掃描觸發源的耦合方式。AC為交流耦合、DC為直流耦合、TV為電視場/行同步耦合、HFREJ為同步耦合。

　　24.SOURCE(觸發源選擇開關)：INT為CH1或CH2輸入信號觸發、LINE為市電內電源觸發、EXT為外輸入信號觸發。

　　二、一般使用方法

　　1.獲得基線：

　　使用無使用說明書的示波器時，首先應調出一條很細的清晰水平基線，然后用探頭進行測量，步驟如下。

　　(1)預置面板各開關、旋鈕。 亮度置適中位置，聚焦和輔助聚焦置適中位置，垂直輸入耦合置"AC"，垂直電壓量程選擇置適當檔位(如"5mV/div")，垂直工作方式選擇置"CH1"，垂直靈敏度微調校正置"CAL"，垂直通道同步源選擇置中間位置，垂直位置置中間，A和B掃描時間均置適當檔位(如"0.5ms/div")，A掃描時間微調置校準位置"CAL"，水平位移置中間，掃描工作方式置"A"，觸發同步方式置"AUTO"，斜率開關置"+"，觸發耦合開關置"AC"，觸發源選擇置"INT"。

　　(2)按下電源開關，電源指示燈亮。

　　(3)調節A亮度聚焦等有關控制旋鈕，可出現纖細明亮的掃描基線，調節基線使其位置于屏幕中間與水平坐標刻度基本重合。

　　(4)調節軌跡旋轉控制使基線與水平坐標平行。

　　2.顯示信號;

　　一般示波器均有0.5Vp-p標準方波信號輸出口，調妥基線后，即可將探頭接入此插口，此時屏幕應顯示一串方波信號，調節電壓量程和掃描時間旋鈕，方波的幅度和寬度應有變化，至此說明該示波器基本調整完畢，可以投入使用。

　　3.測量信號：

　　將測試線接入CH1或CH2輸入插座，測試探頭觸及測試點，即可在示波器上觀察波形。如果波形幅度太大或太小，可調整電壓量程旋鈕;如果波形周期顯示不合適，可調整掃描速度旋鈕。

三、選擇合適示波器帶寬方法

　　帶寬是大多數工程師在選擇一款示波器時首先考慮的參數。本文將為您提供一些有用的竅門，教您如何為您的數字和模擬應用選擇合適的示波器帶寬。

　　數字應用需要的示波器帶寬

　　經驗告訴我們，示波器的帶寬至少應比被測系統最快的數字時鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標準，那么該示波器就能以最小的信號衰減捕捉到被測信號的5次諧波。信號的5次諧波在確定數字信號的整體形狀方面非常重要。但如果需要對高速邊沿進行精確測量，那么這個簡單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實際高頻成分。

　　公式：fBW ≥ 5 x fclk

　　確定示波器帶寬的一個更準確的方法是根據數字信號中存在的最高頻率，而不是最大時鐘速率。數字信號的最高頻率要看設計中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設計中最快的信號的上升和下降時間。這一信息通常可從設計中所用器件的公開說明書中獲取。

　　第一步：確定最快的邊沿速度

　　然后就可以利用一個簡單的公式計算信號的最大“實際”頻率成分。Howard W. Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數字設計》。在書中，他將這一頻率成分稱為“拐點 ”頻率(fknee)。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個拐點(或稱“knee”)，高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀就無關緊要了。