示波器基础(续)

2019-11-13来源: eefocus关键字:示波器  抖动分析  波形参数

6 波形参数测量

 

   当示波器正确捕获波形后,示波器可以对波形参数进行自动测量。这些波形参数主要包括下面几个类别:


      1)电压参数/幅度参数:幅度,峰峰值,最大值,最小值,过冲,有效值等。

      2)时间参数:上升时间/下降时间,周期/频率,脉冲宽度,占空比,时间差,建立时间/保持时间等。

      3)眼图参数:交叉百分比,占空比失真,眼高,眼宽,抖动等。

      4)如果示波器带有抖动分析软件,还可以测量抖动参数,如:时间间隔误差,周期到周期抖动,抖动成分分解(RJ,DJ,ISI,DCD,PJ)等。


    下面介绍典型的电压参数和时间参数测量,关于抖动和眼图的测量请参考后面的文章“抖动测量和分析”,“眼图测量和分析”等。

 

6.1 波形测量关键点

 

    电压参数和时间参数测量,都需要参考点,这是测量的关键点之一。在示波器里,一般称为:Vtop和Vbase。Vtop和Vbase的测量计算是:采用幅度统计方法。示波器的工作过程是:先对整个屏幕进行幅度统计分析,可以得出最大电压的位置和最小电压的位置,然后对最大最小幅度的上面40%部分进行统计分析,得到的平均值,此为Vtop值;对最大最小幅度的下面40%部分进行统计分析,得到的平均值,此为Vbase值。不用统计分析中间的20%部分,防止被测波形是 3态信号,而得出错误的结论。如图8所示。

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图8  示波器Vtop和Vbase参数的测量

 

6.2 电压和时间参数的测量

 

    一旦测试出Vtop和Vbase,基于我们设置的测量门限(示波器的测量门限默认是10%、50%、90%,可以选择其他门限或自定义门限),示波器可以对电压和时间参数进行自动测量。

 

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图9  幅度/最大值/最小值/峰峰值的测量

 

    示波器可测试的电压参数很多,比较重要的有:最大值、最小值、峰峰值(定义为最大值减去最小值)、幅度值(定义为Vtop减去Vbase),有效值,过冲等。

    过冲定义为下图右上角公式,指的是高出Vtop或低于Vbase的部分与幅度的比值,取百分比。

 

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图10  过冲的测量

 

     示波器可测试的时间参数很多,比较重要的有:上升时间/下降时间,周期,脉冲宽度(正脉冲宽度/负脉冲宽度)等等。最近示波器又增加了针对Burst信号的测量,包括:Burst 宽度,Burst 周期,Burst 时间间隔。Burst宽度测量相对复杂,定义如图12所示,需要设置高低门限,然后测量Burst宽度。

 

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图11  上升时间/下降时间的测量

 

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图12  Burst宽度的测量

 

    频率的测量是基于周期的测量,然后做倒数运算而来。占空比的测量也是基于脉宽和周期的测量,然后运算而来(公式如下图右上角)。

 

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图13  周期/频率/脉宽/占空比的测量

 

    多通道的多个信号关系的测量也是关键的时间参数测量,包括:时间差(2个通道边沿的时间偏差,可以是上升沿或下降沿),相位(时间差与周期之比,乘以360°),建立时间和保持时间(相对于时钟的上升沿或下降沿,数据信号的建立时间或保持时间)等。

    这些参数测量前需要进行通道时间偏差校准,即把两个通道连接到同一个信号,手动做时间偏差校准(即Deskew)。

 

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图14  时间差/相位,建立时间和保持时间的测量

 

 

7 示波器探头技术

 

    示波器因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围,使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路,如下图:

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图15 示波器的探头

 

    探头的选择和使用需要考虑如下两个方面:

     其一:因为探头有负载效应,探头会直接影响被测信号和被测电路;

     其二:探头是整个示波器测量系统的一部分,会直接影响仪器的信号保真度和测试结果。

 

7.1 探头的负载效应

 

    当探头探测到被测电路后,探头成为了被测电路的一部分。探头的负载效应包括下面3部分:

      1. 阻性负载效应;

      2. 容性负载效应;

      3. 感性负载效应。

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图16  示波器探头的负载效应

 

    阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻,对被测信号有分压的作用,影响被测信号的幅度和直流偏置。有时,加上探头时,有故障的电路可能变得正常了。一般推荐探头的电阻R>10倍被测源电阻,以维持小于10%的幅度误差。

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图17 示波器探头的阻性负载效应

 

    容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容,对被测信号有滤波的作用,影响被测信号的上升下降时间,影响传输延迟,影响传输互连通道的带宽。有时,加上探头时,有故障的电路变得正常了,这个电容效应起到了关键的作用。一般推荐使用电容负载尽量小的探头,以减小对被测信号边沿的影响。

 

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图18  示波器探头的容性负载效应

 

    感性负载来源于探头地线的电感效应,这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振,从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃,需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃,检查确认的方法是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的地线,一般地线电感=1nH/mm。

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图19  示波器探头的感性负载效应

 

7.2 探头的类型

 

    示波器探头大的方面可以分为:无源探头和有源探头两大类。无源有源顾名思义就是需不需要给探头供电。

无源探头细分如下:

      1.  低阻电阻分压探头;

      2.  带补偿的高阻无源探头(最常用的无源探头);

      3.  高压探头

 

    有源探头细分如下:

      1.  单端有源探头;

      2.  差分探头;

      3.  电流探头

    最常用的高阻无源探头和有源探头简单对比如下:

 

表2  有源探头和无源探头对比表

 示波器基础(续)

 

    低阻电阻分压探头具备较低的电容负载(<1pf),较高的带宽(>1.5GHz),较低的价格,但是电阻负载非常大,一般只有500ohm或1Kohm,所以只适合测试低源阻抗的电路,或只关注时间参数测试的电路。

 

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图20 低阻电阻分压探头结构原理

 

    带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头,一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻(一般1Mohm以上),可调的补偿电容,以匹配示波器的输入,具备较高的动态范围,可以测试较大幅度的信号(几十幅以上),价格也较低。但是不知之处是输入电容过大(一般10pf以上),带宽较低(一般500MHz以内)。

 

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图21  带补偿的高阻无源探头结构原理

 

    带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容,当接上示波器时,一般需要调整电容值(需要使用探头自带的小螺丝刀来调整,调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置),以与示波器输入电容匹配,以消除低频或高频增益。下图的左边是存在高频或低频增益,调整后的补偿信号显示波形如下图的右边所示。

 

示波器基础(续)

 

图22 带补偿的高阻无源探头补偿校准原理和方法

 

    高压探头是带补偿的无源探头的基础上,增大输入电阻,使得衰减加大(如:100:1或1000:1等)。因为需要使用耐高压的元器件,所以高压探头一般物理尺寸较大。

 

7.3 有源探头

 

    单端有源探头结构图如下,使用放大器实现阻抗变换的目的。单端有源探头的输入阻抗较高(一般达100Kohm以上),而输入电容较小(一般小于1pf),通过探头放大器后连接到示波器,示波器必须使用50ohm输入阻抗。有源探头带宽宽(现在可达30GHz),而负载小,但是价格相对较高(一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右),动态范围较小(这个需要注意,因为超过探头动态范围的信号,不能正确测试。一般动态范围5V左右),比较脆弱,使用需小心。

 

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图23  单端有源探头结构原理

 

差分探头结构图如下,使用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分探头的输入阻抗较高(一般达50Kohm以上),而输入电容较小(一般小于1pf),通过差分探头放大器后连接到示波器,示波器必须使用50ohm 输入阻抗。差分探头带宽非常宽(现在可达30GHz),负载非常小

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