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示波器基礎(chǔ)知識(shí)
更新時(shí)間:2017-03-07   點(diǎn)擊次數(shù):3034次

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

 答:示波器早已成為檢測(cè)電子線路zui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(wàn)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(wú)源探頭,內(nèi) 部也必須有非常多的無(wú)源器件補(bǔ)償電路(RC 網(wǎng)絡(luò))。

3. 一般的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(shuō),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(wú)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zui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,zui后形成的兩個(gè)點(diǎn)間的zui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)zui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(wú)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:有推出的功率測(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: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:電源測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字熒光示波器加上功率分析軟件就 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RDSON。

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(shuō)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(shuō)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zui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。zui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: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(wú)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zui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)干擾時(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)上由兩個(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u*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(lái)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。

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)電路的模式出于“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“通常”Normal 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:的方法是選用差分探頭,這時(shí)測(cè)到的信號(hào)zui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*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 2 種情況: *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 Signal Quality Test、 Droop & Drop Test、 Inrush Current Test、 HS Specific Tests、Chirp Test 、Monotonic Test、 Receiver sensitivity Test、 Impedance Test (TDR) 等等。 第二種情況是僅觀測(cè) USB 總線上的信號(hào),可以選擇合適的差分探頭連接到 D+, D-,直接進(jìn) 行 USB 信號(hào)的觀測(cè)。USB2.0 信號(hào)速度比較快,上升時(shí)間為幾百皮秒,為了保證信號(hào)的包真度測(cè)試,需要選擇大于 2GHz 的示波器和差分探頭進(jìn)行測(cè)試。

25. PCB 板上的高速信號(hào)特征:XAUI 接口3.125GBd 串行差分信號(hào):60ps,請(qǐng)問需要 多高帶寬的示波器才能測(cè)量?測(cè)量誤差可達(dá)多少?

答:對(duì) XAUI 接口 3.125GBd 串行差分信號(hào),聽起來(lái)有點(diǎn)象 InfiniBand 信號(hào),用正弦內(nèi)插的 方式,或類似等效采樣的方式來(lái)采集,但由于本身帶寬和觸發(fā)抖動(dòng)等因素,在其測(cè)量 100ps ~ 130ps 范圍內(nèi)的上升時(shí)間時(shí),采用 7GHz 差分探頭可保證誤差<3%,對(duì)于< 80ps 的上升時(shí) 間測(cè)量,其誤差會(huì)大于 10%, 雖然這已經(jīng)是實(shí)時(shí)示波器中的方案,單就上升時(shí)間測(cè)量而 言,zui的方案是安捷倫的網(wǎng)絡(luò)分析儀(需配上物理層分析軟件),因?yàn)槠鋷捒筛哌_(dá)                    50GH z。

26. 對(duì)時(shí)鐘的相位噪聲參數(shù)的要求很高的設(shè)計(jì),需要考慮哪些關(guān)鍵性的問題來(lái)降低相位噪聲?

答:在 ADC,DAC 的器件中衡量性能有很多項(xiàng)指標(biāo):象位數(shù)、轉(zhuǎn)換速度、DC 精度、開關(guān)性 能、動(dòng)態(tài)性能(SNR, SINAD,IMD)等等。

27. 對(duì)時(shí)鐘的相位噪聲參數(shù)的要求很高的設(shè)計(jì),怎樣測(cè)量相位噪聲?

答:從示波器的角度來(lái)看,可以測(cè)試 ADC,DAC 的模擬和數(shù)字信號(hào)的幅度,時(shí)間,轉(zhuǎn)換后的 信號(hào)質(zhì)量,轉(zhuǎn)換速度,時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的建立/保持時(shí)間等參數(shù),還可以通過 TDS 示波器中的高 級(jí)運(yùn)算功能(頻譜分析功能)來(lái)定性測(cè)量SNR,SINAD 等參數(shù)。

28. 由于可能需要引入外界的時(shí)鐘,這樣時(shí)鐘存在2 選1的問題,此時(shí)用什么方案才能 使相位噪聲的惡化zui???

答:首先要分析抖動(dòng)產(chǎn)生的來(lái)源,示波器來(lái)分析抖動(dòng)是一個(gè)很好的工具,目前可以使用 TDS5000B/6000B/7000B 系列示 波器配合抖動(dòng)分析軟件進(jìn)行*抖動(dòng)分析,象確定抖動(dòng)(Dj), 隨機(jī)抖動(dòng)(Rj),Rj 和 Dj 的分離,zui后通過分析造成抖動(dòng)的原因來(lái)消除抖動(dòng)。

29. 在示波器上看波形時(shí),用外觸發(fā)和自觸發(fā)來(lái)看有何區(qū)別?

答:示波器的通常觸發(fā)是邊沿觸發(fā),其觸發(fā)條件有 2 個(gè),觸發(fā)電平和觸發(fā)邊沿;即:信號(hào)的 上升沿(或者下降沿)達(dá)到某一特定電平(觸發(fā)電平)時(shí),示波器觸發(fā)。 示波器只有在信 號(hào)自觸發(fā)有問題的時(shí)候才會(huì)使用外觸發(fā),沒有哪一個(gè)更好的問題。而這種問題通??赡苁牵?信號(hào)比較復(fù)雜, 有很多滿足觸發(fā)條件的點(diǎn),無(wú)法每次在同一位置觸發(fā),從而得到穩(wěn)定的顯 示。這時(shí)需要使用外觸發(fā)。

30. TDS3032B 的帶寬是 300MHz,采樣頻率為 2.5G/s,采樣頻率為帶寬的 8 倍。請(qǐng)問帶寬和采樣頻率之間有什么固定關(guān)系?我們也有一款其它廠家的示波器,帶寬 100MHz、 采樣頻率只有 200MHz。為什么兩個(gè)示波器的帶寬采樣頻率比相差這么大?

答:帶寬是示波器zui重要的指標(biāo),因?yàn)樵跀?shù)字示波器中有 ADC,它的采樣率理論上需要滿 足 Nyquist 采樣定律,即被測(cè)信號(hào)的zui高頻率信號(hào)的每個(gè)周期理論上至少需要采 2 個(gè)點(diǎn),否 則會(huì)造成混疊。但是在實(shí)際上還取決于很多其它的因素,比如波形的重構(gòu)算法等。泰克示波 器采用先進(jìn)的波形重構(gòu)算法,被測(cè)信號(hào)的每個(gè)周期只需要 2.5 個(gè)點(diǎn)就能夠重構(gòu)波形。也有的 示波器采用線性插值算法,可能就需要 10 個(gè)點(diǎn)。一般采樣率是帶寬的 4-5 倍就可以比較準(zhǔn)確地再現(xiàn)波形。泰克的 TDS3000B 系列是“實(shí)時(shí)采樣”示波器,即,它的單次帶寬(捕獲單次信號(hào)的能力) =重復(fù)帶寬,您所說(shuō)的另一種示波器的單次帶寬顯然不到 100MHz,您可以看一下它的指標(biāo)。

31. 示波器指標(biāo)中的帶寬如何理解?

答:帶寬是示波器的基本指標(biāo),和放大器帶寬的定義一樣,是所謂的-3dB 點(diǎn),即,在示波 器的輸入加正弦波,幅度衰減為實(shí)際幅度的 70.7%時(shí)的頻率點(diǎn)稱為帶寬。也就是說(shuō),使用 100MHz 帶寬的示波器測(cè)量 1V,100MHz 的正弦波,得到的幅度只有 0.707V。這還只是正 弦波的情形。因此,我們?cè)谶x擇示波器的時(shí)候,為達(dá)到一定的測(cè)量精度,應(yīng)該選擇信號(hào)zui高 頻率 5 倍的帶寬。

32. 測(cè)量系統(tǒng)的總帶寬如何獲得?

答:測(cè)量系統(tǒng)的總帶寬=0.35/上升時(shí)間(1GHz 以下示波器)

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