超實(shí)用！示波器基礎(chǔ)知識(shí)100問

時(shí)間：2021-11-16 14:36:13

關(guān)鍵字：示波器

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[導(dǎo)讀]1、對(duì)一個(gè)已設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品，如何用示波器檢測(cè)分析其可靠性？答：示波器早已成為檢測(cè)電子線路最有效的工具之一，通過觀察線路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓電流波形可以直觀地檢查線路工作是否正常，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否恰當(dāng)。這對(duì)提高可靠性極有幫助。當(dāng)然對(duì)波形的正確分析判斷有賴于工程師自身的經(jīng)驗(yàn)。2、決定示波器探頭...

1、對(duì)一個(gè)已設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品，如何用示波器檢測(cè)分析其可靠性？

答：示波器早已成為檢測(cè)電子線路最有效的工具之一，通過觀察線路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓電流波形可以直觀地檢查線路工作是否正常，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否恰當(dāng)。這對(duì)提高可靠性極有幫助。當(dāng)然對(duì)波形的正確分析判斷有賴于工程師自身的經(jīng)驗(yàn)。

2、決定示波器探頭價(jià)格的主要因素是什么？

答：示波器的探頭有非常多的種類，不同的性能，比如高壓，差分，有源高速探頭等等，價(jià)格也從幾百人民幣到接近一萬美元。價(jià)格的主要決定因素當(dāng)然是帶寬和功能。探頭是示波器接觸電路的部分，好的探頭可以提供測(cè)試需要的保真度。為做到這一點(diǎn)，即使無源探頭，內(nèi)部也必須有非常多的無源器件補(bǔ)償電路(RC 網(wǎng)絡(luò))。

3、一般的是德科技示波器探頭的使用壽命有多長(zhǎng)時(shí)間？探頭需不需要定期的標(biāo)定？

答：示波器的探頭壽命不好說，取決于使用環(huán)境和方法。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于探頭沒有明確的計(jì)量規(guī)定，但是對(duì)于無源探頭，至少在更換探頭，探頭交換通道的時(shí)候，必須進(jìn)行探頭補(bǔ)償調(diào)整。所有有源探頭在使用前應(yīng)該有至少 20 分鐘的預(yù)熱，有的有源探頭和電流探頭需要進(jìn)行零點(diǎn)漂移調(diào)整。

4、什么是示波器的實(shí)時(shí)采樣率？

答：實(shí)時(shí)采樣率是指示波器一次采集(一次觸發(fā))采樣間隔的倒數(shù)。據(jù)了解，目前業(yè)界的最高水平是四個(gè)通道同時(shí)使用。

5、什么是示波器的等效時(shí)間采樣？

答：等效時(shí)間采樣指的是示波器把多次采集(多次觸發(fā))采集到的波形拼湊成一個(gè)波形，每次采樣速率可能很慢，兩次采集觸發(fā)點(diǎn)有一定的偏移，最后形成的兩個(gè)點(diǎn)間的最小采樣間隔的倒數(shù)稱為等效采樣速率。其指標(biāo)可以達(dá)到很高，如 1ps。

6、什么是功率因數(shù)？如何如何測(cè)量？

答：功率因數(shù)：在直流電路里，電壓乘電流就是有功功率。但在交流電路里，電壓乘電流是視在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）將小于視在功率。有功功率與視在功率之比叫做功率因數(shù)，以 COSΦ表示，其實(shí)最簡(jiǎn)單的測(cè)量方式就是測(cè)量電壓與電流之間的相位差，得出的結(jié)果就是功率因數(shù)。

7、如何表達(dá)和測(cè)試功率密度？

答：功率密度就是單位體積里的功率，一般電源里用 W/in3。

8、有無辦法利用示波器測(cè)出高頻變壓器或電感磁芯的工作情況？

答：TEK 推出的功率測(cè)試方案里就有一項(xiàng)功能——B-H 曲線的分析，它能反應(yīng)磁芯的工作狀態(tài)，還能測(cè)出動(dòng)態(tài)電感值，并得出磁芯損耗。

9、開關(guān)電源的噪聲有多種如布線不合理引起的交叉干擾、電感漏磁、二極管反向尖峰...等引起噪聲，如何用示波器鑒別？

答：TEK 的 TDS5000 示波器上有頻域分析、分析噪聲的頻率段就能分析出噪聲的種類，才好用相應(yīng)的處理方法。示波器只能提供數(shù)據(jù)分析和波段形顯示。

10、用力科示波器怎樣可以測(cè)試到開頭電源的幅射？

答：開關(guān)電源存在幅射干擾，一般做法是設(shè)法探出干擾源，然后再去屏蔽它。用示波器可以傅立葉變換的功能分析其頻率成份構(gòu)成，根據(jù)頻率范圍，從而判斷干擾的種類。

11、在反激式電源設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)樽儔浩髀└写?，而使變壓器的轉(zhuǎn)換效率降低，繞制時(shí)采用初級(jí)中間夾繞次級(jí)的方式仍然不大理想。變壓器繞制有什么技巧嗎？

答：將大功率的輸出繞組繞在里面，盡量靠近原邊，加強(qiáng)偶合。

12、有沒有能分析開關(guān)損耗的示波器？

答：泰克的電源測(cè)試系統(tǒng)即 TDS5000 系列數(shù)字熒光示波器加上 TDSPWR2 功率分析軟件就可以輕松的分析開關(guān)損耗以及每周期的功率損耗甚至包括 RDS ON。

13、示波器能否進(jìn)行傅立葉分解？

答：現(xiàn)代數(shù)字示波器大多具有 FFT 功能，其中上述系統(tǒng)甚至可以按 EN61000－3－2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電流諧波進(jìn)行預(yù)測(cè)試。

14、示波器能否進(jìn)行濾波處理？如對(duì) PWM 波進(jìn)行低通濾波？

答：TDS5000 可以進(jìn)行 20MHz，150MHz 低通濾波，還可以進(jìn)行一種稱之為高分辨率采集的數(shù)字低通濾波，在此種模式中采樣點(diǎn)的垂直分辨率可從 8bits 提高到 12bits，上述系統(tǒng)可以輸出像比如 PWM 這樣的信號(hào)按照脈寬變化的趨勢(shì)的類似正弦波波形。

15、使用數(shù)字示波器時(shí)，對(duì) B 觸發(fā)和觸發(fā)電平的設(shè)置與被測(cè)信號(hào)有什么原則？

答：泰克的示波器支持 A,B trigger 功能，簡(jiǎn)單說就是可以雙事件序列觸發(fā)，當(dāng)選擇 A-B seq 時(shí)，A事件作為主觸發(fā)，配合 B 事件捕獲復(fù)雜的波形。觸發(fā)方法為 A 事件 arm 觸發(fā)系統(tǒng)，當(dāng)定義的 B 事件出現(xiàn)時(shí)在 B 事件處觸發(fā)。具體詳細(xì)的觸發(fā)說明，請(qǐng)參考示波器的手冊(cè)。

16、如何用 TDS3052B 測(cè)量載波頻率為幾十 K，調(diào)制波頻率為電源頻率的已調(diào)波的最大值？

答：工頻輸入可能為低頻的 50Hz/60Hz，同時(shí)載波為幾十 K，一個(gè)工頻周期為 20ms 左右，如果示波器需要觀測(cè) 20ms 信號(hào)，即示波器的 duration 采集窗口至少為 2ms/div ×10 格，同時(shí)根據(jù)幾十 k 的載波信號(hào)，確定示波器的采樣率。最后可以估算出需要的采集內(nèi)存長(zhǎng)度，判斷是否能夠滿足測(cè)試要求。

17、使用一臺(tái)標(biāo)稱 100MHz 的 DSO 示波器，測(cè)量一個(gè)高頻開關(guān)幅值 400V，f=50M，示波器如何描繪出它的波形和上升時(shí)間？

答：可以從以下幾方面入手：

① 示波器的帶寬是以正弦波幅度衰減－3dB 點(diǎn)為帶寬定義的。

② 數(shù)字示波器中對(duì)于波形和上升時(shí)間的描繪都是通過實(shí)時(shí)采樣電路和高速 A/D 變換器獲得波形數(shù)據(jù)，再通過插值運(yùn)算得到的。

③ 在泰克的示波器中，有實(shí)時(shí)的處理電路完成所謂的正弦內(nèi)插功能，在信號(hào)采集電路部分完成。當(dāng)然，很多示波器也是通過示波器的主處理器進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算完成的，這個(gè)時(shí)候會(huì)花比較多的時(shí)間。

④ 對(duì)于您測(cè)量的信號(hào)，恐怕使用 100MHz 的示波器是無法進(jìn)行。50MHz 的方波，理論上應(yīng)該使用450MHz 以上的示波器才能將信號(hào)中最重要的 9 次以下諧波準(zhǔn)確重新，從而保證波形不失真。更何況，您恐怕還要考慮信號(hào)上升時(shí)間的問題，理論上，示波器的上升時(shí)間應(yīng)該比信號(hào)快 5 倍以上。

⑤ 探頭也一樣，由于普通探頭在測(cè)量高壓的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生高頻失真的效應(yīng)，您應(yīng)該采用特別的差分探頭或者高壓探頭比如，泰克的 P5205，P5100 進(jìn)行測(cè)量。

18、如何在模擬電路用好數(shù)字示波器，比如測(cè)音頻放大器的小信號(hào)，電源的雜波等？

答：要注意的問題有：

① 示波器的接地問題，示波器的機(jī)殼和探頭的參考地線都是連接地線的，因此良好的接地是測(cè)量干擾的首要條件。

② 示波器參考地線引入的干擾問題，由于普通探頭通常都有一段接地線，會(huì)與待測(cè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)類似環(huán)形天線的干擾路徑，引入比較大的干擾，因此要盡量減少這一干擾，可以采用的方法是將探頭帽拿掉，不使用探頭上引出的地線，而直接使用探頭尖端和探頭內(nèi)的地點(diǎn)接觸待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

③ 使用差分測(cè)量的方法，消除共模噪聲。泰克提供一系列的差分探頭，比如專門針對(duì)小信號(hào)的ADA400A 可以測(cè)量到幾百微伏，用于高速信號(hào)測(cè)量的 P7350 提供高達(dá) 5GHz 的帶寬。

④ 在泰克的很多示波器里提供高分辨率采集（Hi-Res）的信號(hào)捕獲模式，可以過濾信號(hào)上疊加的隨機(jī)噪聲。

19、在測(cè)量離板信號(hào)線的傳導(dǎo)騷擾時(shí)，發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)特定頻點(diǎn)（一個(gè)是 659K 另一個(gè)是 1.977K）上有兩個(gè)很大的噪聲信號(hào)。初步分析是由于板上的開關(guān)電源芯片引起的，如何使用示波器測(cè)量這樣的噪聲信號(hào)？

答：示波器可以測(cè)試噪聲信號(hào)有幾個(gè)考慮的因素：

① 被測(cè)信號(hào)的幅度，是否為小信號(hào)，示波器配合探頭可以測(cè)試 uA?級(jí)的信號(hào)。

② 被測(cè)信號(hào)的頻率。

③ 探頭的連接方式不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響測(cè)試結(jié)果。

20、在用泰克的示波器時(shí)，如何理解 Holdoff 這個(gè)參數(shù)？

答：Holdoff（觸發(fā)釋抑）的含義是暫時(shí)將示波器的觸發(fā)電路封閉一段時(shí)間（即釋抑時(shí)間），在這段時(shí)間內(nèi)，即使有滿足觸發(fā)條件的信號(hào)波形點(diǎn)示波器也不會(huì)觸發(fā)。在數(shù)字示波器中也會(huì)用百分比來表示，意義是整個(gè)記錄長(zhǎng)度或者整個(gè)屏幕的百分比。

示波器的觸發(fā)部分的作用就是穩(wěn)定的顯示波形，觸發(fā)釋抑也是為了穩(wěn)定顯示波形而設(shè)置的功能。主要針對(duì)大周期重復(fù)而在大周期內(nèi)有很多滿足觸發(fā)條件的不重復(fù)的波形點(diǎn)而專門設(shè)置的。比如圖中所示，圖中紅色的點(diǎn)都可以滿足觸發(fā)條件，如果不用釋抑功能，觸發(fā)點(diǎn)將不固定，造成顯示不穩(wěn)定，使用觸發(fā)釋抑后，每次都在同一個(gè)點(diǎn)觸發(fā)，因此可以穩(wěn)定顯示。

此外，對(duì)于調(diào)幅信號(hào)等也一樣要使用觸發(fā)釋抑。詳情請(qǐng)參見泰克文章《示波器 XYZ》。

21、關(guān)于 holdoff，所謂觸發(fā)與非觸發(fā)，示波器對(duì)采集信號(hào)的處理有什么區(qū)別？

答：對(duì)于數(shù)字示波器，不論是否觸發(fā)，示波器實(shí)際上都是在不斷地采集波形，但是如果只有穩(wěn)定的觸發(fā)才能有穩(wěn)定的顯示。也會(huì)出現(xiàn)這種狀況，示波器觸發(fā)電路的模式處于“自動(dòng)”模式，即不論是否滿足觸發(fā)條件都進(jìn)行波形顯示。如果使用“通?！盢ormal 模式，不滿足觸發(fā)條件就不會(huì)顯示波形。

22、關(guān)于 holdoff，如果在水平時(shí)間分辨率不變的前提下，是否百分比設(shè)置越大（對(duì)應(yīng)信號(hào)顯示逐漸穩(wěn)定）那么就意味著信號(hào)的周期越長(zhǎng)？

答：是的，百分比越大，釋抑時(shí)間越長(zhǎng)。

23、如何使用示波器測(cè)量差分信號(hào)？

答：最好的方法是選用差分探頭，這時(shí)測(cè)到的信號(hào)最為真實(shí)客觀；若沒有差分探頭，可使用兩個(gè)差分探頭接到示波器的兩個(gè)通道上(如 Ch1, Ch2)，然后用數(shù)學(xué) 運(yùn)算，得到 ch1-ch2 的波形并進(jìn)行分析，這時(shí)盡量保持兩根探頭完全一樣，示波器兩個(gè)通道的 Vertical scale ( 每格多少伏)設(shè)置一樣，否則，誤差會(huì)較大。

24、怎樣用示波器測(cè)量出 USB 總線上的差分信號(hào)？

答：USB 信號(hào)的測(cè)試分為兩種情況：

第一種是需要進(jìn)行符合 USB 組織定義 USB1.1/2.0 總線的物理層測(cè)試規(guī)范，只有通過 USB 一致性測(cè)試后方可打上 USB 標(biāo)識(shí)。USB 物理層一致性測(cè)試分為很多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目,主要是考察 USB 信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量如何，像

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