示波器-常規(guī)測量需要必備的工具

幾年之前的某些"尖端"測量手段如今已成為常規(guī)方法。幾乎每個(gè)工程師都可以講述一些這樣的經(jīng)歷：他們?nèi)绾巫粉櫽捎谛盘?hào)的幾個(gè)納秒的延遲或幾乎無法察覺的瞬態(tài)而引發(fā)的問題。在測量現(xiàn)在的電路時(shí)，必須要處理更快的信號(hào)邊緣、更高的時(shí)鐘頻率，還要處理模擬量，在數(shù)字系統(tǒng)中更是如此。同一臺(tái)示波器，早晨用于描述時(shí)序，中午可能被用于排除模擬電路的故障，到了下午則用來測量電源。所有這些都是常規(guī)測量，但是需求的變化范圍卻很大。
　　讓我們考察一些"常規(guī)"的測量，看它們對(duì)示波器有什么要求：
　　基礎(chǔ)測量："信號(hào)是否存在"，波形，振幅和頻率（或周期），噪音。
　　盡管現(xiàn)在的頻率范圍比過去高，多數(shù)示波器完全能夠勝任這些測量。60MHz到100MHz的帶寬就能顯示出很理想的信號(hào)邊緣和瞬態(tài)細(xì)節(jié)。
　　對(duì)于基礎(chǔ)測量來說，示波器最可貴的優(yōu)點(diǎn)是容易使用。如今的數(shù)字存儲(chǔ)示波器使用了自動(dòng)化的測量方法和游標(biāo)，與網(wǎng)格線判讀的方法相比，其讀數(shù)更快捷、更精確。
　　數(shù)字測量：邊沿定時(shí)關(guān)系、瞬態(tài)、"單次"事件。
　　示波器的帶寬和采樣率對(duì)于數(shù)字測量是非常重要的。如果示波器"太慢"，則快速的邊緣跳變和過沖有可能被軟化甚至丟失。為了可靠地捕獲到不可重復(fù)的事件，示波器的采樣率（頻率）必須比被測信號(hào)的頻率高5－10倍。
數(shù)字電路測量：建立時(shí)間和保持時(shí)間，數(shù)據(jù)采集，總線故障。
　　數(shù)字電路測量有著與數(shù)字測量相類似的需求，不過游標(biāo)和自動(dòng)測量使得重復(fù)性的測試更加容易。為了對(duì)器件性能作出文檔說明，常常需要波形存儲(chǔ)功能。
　　電源測量：交流電壓、電流、諧波。
　　對(duì)于示波器來說，電壓測量和其他的動(dòng)態(tài)測量并沒有很大的不同，只是電壓和電流值太高可能發(fā)生危險(xiǎn)，而且信號(hào)可能沒有真正的接地。為此，需要采用專門的探頭技術(shù)。
　　在測量電源的諧波（為了使電源符合穩(wěn)壓電源的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)測量此參數(shù)）時(shí)，需要FFT（快速富利葉變換）工具提供信號(hào)的頻域圖。 很顯然，為當(dāng)今的測量任務(wù)選擇一臺(tái)通用的示波器是至關(guān)重要的。值得慶幸的是，現(xiàn)代的數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）能夠很好地勝任上述大多數(shù)測量任務(wù)。但是各種型號(hào)的DSO在特性、性能和價(jià)格上有很大差異。泰克公司的TDS2012 DSO是那個(gè)價(jià)位的示波器中最為通用的一種，其帶寬為100兆赫茲（采樣率為1 GS/s），可自動(dòng)測量，非常輕便（重量僅有1.5公斤），有波形存儲(chǔ)功能，有多種探頭選擇和通信方式選擇。此外，該系列產(chǎn)品還以最為經(jīng)濟(jì)的價(jià)位提供60MHz和100MHz、200MHz的一系列數(shù)字示波器。
◆ 數(shù)字電路測量
　　調(diào)試樣機(jī)是每個(gè)數(shù)字設(shè)計(jì)項(xiàng)目的組成部分。有時(shí)，如果電路的運(yùn)行不穩(wěn)定，或者根本不工作，就必須確定主時(shí)鐘信號(hào)在整個(gè)系統(tǒng)中的傳送是否正確，在到達(dá)目的地時(shí)是否完好無損。通常有很多測試點(diǎn)和器件的引線需要檢查。在直觀地檢查信號(hào)的完整性時(shí)，常用的一個(gè)辦法就是測量它的頻率或振幅，或者兩者都測。
　　如果沒有自動(dòng)測量手段，這個(gè)過程會(huì)因過于費(fèi)時(shí)而失去了實(shí)際意義。TDS 2012這樣的自動(dòng)化數(shù)字存儲(chǔ)示波器是數(shù)字電路測量的最佳工具。
　　TDS2012 的可以選擇波形的"聰明"自動(dòng)設(shè)置（AUTOSET）功能，可以立即給出很合用的波形。AUTOSET能自動(dòng)設(shè)置觸發(fā)方式、獲取方式、垂直標(biāo)度因子，以及捕獲目標(biāo)波形并將其清晰地顯示出來所需要的其他參數(shù)。通過屏幕上的波形可以很容易地檢查信號(hào)的畸變或失真。
　　下一步是用另一個(gè)內(nèi)置的省時(shí)功能來測量頻率和振幅。利用MEASURE按鈕可以同時(shí)進(jìn)行四種不同的自動(dòng)測量并顯示結(jié)果。當(dāng)從一個(gè)測試點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)測試點(diǎn)時(shí)，TDS 2012能夠保留這個(gè)設(shè)置，并隨著測量工作的進(jìn)行重新估價(jià)出新的測量方式。圖1給出了測量結(jié)果。圖中顯示了時(shí)鐘信號(hào)，以及頻率、周期和振幅峰值的定量讀數(shù)。
　　如果在設(shè)計(jì)中把敏感的模擬電路和快速的數(shù)字元件組合在一起，那么數(shù)字的開關(guān)瞬態(tài)就有可能進(jìn)入模擬電路。例如在錄像機(jī)中，這些瞬態(tài)可以疊加到視頻信號(hào)上并引起令人厭煩的畫面失真。模擬電路本身固有的噪音常常掩蓋了開關(guān)瞬態(tài)。那么瞬態(tài)是從哪兒產(chǎn)生的呢？
　　TDS 2012 示波器的平均（AVERAGE）方式能夠幫助你透過噪音看到令人棘手的瞬態(tài)并查明其原因。AVERAGE是獲取菜單中的一個(gè)選項(xiàng)。示波器最多可選擇128個(gè)獲取項(xiàng)，并生成一個(gè)平均的波形，只選擇能夠產(chǎn)生最佳結(jié)果的獲取數(shù)就可以了。圖2 給出了一條模擬信號(hào)線的平均視圖。原來被無關(guān)的噪音掩蔽起來的數(shù)字瞬態(tài)，現(xiàn)在很清晰地從底線突現(xiàn)出來。從瞬態(tài)的頻率和時(shí)間特征可以找到有關(guān)其來源的線索。在本案例中，兩塊電路板導(dǎo)軌相距太近，以致于將數(shù)字信號(hào)的快速前沿耦合到了模擬波形軌跡上。
　　TDS 2012 的另一種獲取方式為峰值檢測（PEAK DETECT），可以捕獲快而窄的過沖。這種故障使模擬示波器和其他數(shù)字存儲(chǔ)示波器的等時(shí)獲取功能無法發(fā)揮作用。PEAK DETECT還提供了確保故障不會(huì)漏檢的另一種工具。
　　每個(gè)周期中的負(fù)向尖峰脈沖可能是轉(zhuǎn)換中的一個(gè)固定位造成的。請(qǐng)注意，TDS 2012的PEAK DETECT功能結(jié)合了它的高帶寬和10倍過采樣能力，使得瞬態(tài)在第一位置上暴露無遺。當(dāng)前，這一功能在貼近檢查尖峰脈沖時(shí)是很有用的。
　　為此，要用水平位置調(diào)節(jié)將觸發(fā)指示器（屏幕頂部的箭頭）定位于屏幕的中心。 在這一點(diǎn)上，主時(shí)基的位置（M Pos）應(yīng)當(dāng)為 0。然后，調(diào)整觸發(fā)電平使波形的過沖部分位于屏幕的中心。最后一步是用水平SEC/DIV調(diào)節(jié)將過沖展開。
◆ 集成電路參數(shù)測量
　　隨著時(shí)鐘頻率的逐年增加，邏輯器件的技術(shù)規(guī)范，建立時(shí)間和保持時(shí)間，變得更加重要。雖然制造商的數(shù)據(jù)表里提供了建立時(shí)間和保持時(shí)間參數(shù)，在電路中配置新的器件之前通常還是要對(duì)這些參數(shù)加以確認(rèn)。TDS 2012 的時(shí)間游標(biāo)簡化了建立時(shí)間和保持時(shí)間的測量。
　　建立時(shí)間是指有效數(shù)據(jù)到達(dá)和將數(shù)據(jù)采集到器件中去的時(shí)鐘邊緣之間的時(shí)間量。換言之，就是數(shù)據(jù)在被采集之前必須存在多長時(shí)間。圖5 描述的是數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)；本例中是時(shí)鐘的下降沿起作用。為了測量建立時(shí)間，只需按TDS 2012的CURSOR按鈕并選擇時(shí)間游標(biāo)；然后，用垂直位置旋鈕將其定位。在本例中游標(biāo)1 是設(shè)定在數(shù)據(jù)信號(hào)（下面的軌跡）振幅的50％處，而游標(biāo)2 是位于時(shí)鐘下降沿的頂部。在波形右面"Delta"欄中的讀數(shù)即為測得的建立時(shí)間，本例中為10毫微秒。
在測量保持時(shí)間時(shí)要經(jīng)歷同樣的過程。保持時(shí)間就是在時(shí)鐘信號(hào)的鎖存沿采集了數(shù)據(jù)之后該數(shù)據(jù)還必須保持有效的那段時(shí)間。
　　在描述IC器件的特性時(shí)經(jīng)常要檢測信號(hào)的上升時(shí)間。TDS 2012 能夠自動(dòng)測量上升時(shí)間和下降時(shí)間而無須使用游標(biāo)。
在描述器件特性時(shí)經(jīng)常需要將結(jié)果記錄在文檔中。如果在TDS 2012 上配備了接口模塊，即可通過接在并行端口的兼容打印機(jī)將波形打印出來，通過泰克的OpenChoice 軟件，示波器也可將信息發(fā)送到外接的PC計(jì)算機(jī)上或進(jìn)行更多的參數(shù)測量。此外，這種示波器還能存儲(chǔ)兩個(gè)完整的波形數(shù)據(jù)以供在任何時(shí)候重新調(diào)用和顯示。
◆ 電源測量
　　電源測量有其特殊的要求。當(dāng)然，電壓值和電流值通常是比較高的。但最重要的是，電源的測試點(diǎn)有可能是"浮動(dòng)"的，即沒有參考接地。由于多數(shù)示波器都需要以地為基準(zhǔn)的信號(hào)，所以必須使用能夠?qū)⑹静ㄆ鞯牡嘏c電路的地隔離開的探頭。泰克公司的P5200差分探頭就是這樣的工具。這種探頭可以自供電，與TDS1000/2000完全兼容，而且最大測量范圍達(dá)1300伏，適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、供電和其他的浮動(dòng)量的測量。
　　開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路通常要使用功率MOSFET（MOS場效應(yīng)管）。為了測量MOSFET上的Vds（漏極到源極的電壓）值（參見圖7），將P5200探頭連接到示波器輸入端，將其衰減開關(guān)設(shè)定為50X或500X（視待測電路的電平而定）。通過所用通道的VERTICAL MENU按鈕選擇與待測電平相匹配的垂直標(biāo)度。這樣可以確保屏幕讀數(shù)的大小適當(dāng)。P5200是差分探頭，有兩根導(dǎo)線跨接在測試點(diǎn)上。P5200的輸出是低電平的單端信號(hào)，可以像其他TDS 2012波形一樣用AUTOSET、自動(dòng)測量或游標(biāo)等方式獲取。
　　電流測量相當(dāng)簡單。泰克公司的A621自供電電流探頭直接連接到TDS2012上，并以同樣的方法設(shè)置測量過程。電流探頭是非接入式的，傳感器"環(huán)繞"著導(dǎo)體，通過感應(yīng)耦合來獲取信號(hào)。圖7所示的電流測量是將A621的傳感器端頭置于來自整流器和濾波器的導(dǎo)線周圍。
　　開關(guān)電源容易生成能夠返回到功率柵極的奇次諧波。為了能符合保證供電質(zhì)量的穩(wěn)壓標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 555），測量諧波內(nèi)容的需求日益增多。TDS 2012還可進(jìn)行諧波測量，自動(dòng)地將常規(guī)的時(shí)域波形（如上述電壓波形或電流波形）轉(zhuǎn)換為它的頻率成分（諧波）。
◆ 結(jié)論
　　用示波器完成的很多測量都是"常規(guī)"的，但這并不意味著測量本身是簡單的。它們要求測量儀器不但能給出精確的結(jié)果，還要能夠簡化測量作業(yè)（諸如時(shí)間和振幅測量、過沖檢測、浮動(dòng)電壓測量等）。泰克的TDS1000/2000系列示波器集所有這些屬性于一身，玲瓏小巧，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，是每個(gè)工程師案頭必備之物。