示波器-常規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：他們如何追蹤由于信號的幾個(gè)納秒的延遲或幾乎無(wú)法察覺(jué)的瞬態(tài)而引發(fā)的問(wèn)題。在測量現在的電路時(shí)，必須要處理更快的信號邊緣、更高的時(shí)鐘頻率，還要處理模擬量，在數字系統中更是如此。同一臺示波器，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(lái)測量電源。所有這些都是常規測量，但是需求的變化范圍卻很大。
　　讓我們考察一些"常規"的測量，看它們對示波器有什么要求：
　　基礎測量："信號是否存在"，波形，振幅和頻率（或周期），噪音。
盡管現在的頻率范圍比過(guò)去高，多數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邊緣和瞬態(tài)細節。
　　對于基礎測量來(lái)說(shuō)，示波器最可貴的優(yōu)點(diǎn)是容易使用。如今的數字存儲示波器使用了自動(dòng)化的測量方法和游標，與網(wǎng)格線(xiàn)判讀的方法相比，其讀數更快捷、更精確。
　　數字測量：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于數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(guò)沖有可能被軟化甚至丟失。為了可靠地捕獲到不可重復的事件，示波器的采樣率（頻率）必須比被測信號的頻率高5－10倍。
　　數字電路測量：建立時(shí)間和保持時(shí)間，數據采集，總線(xiàn)故障。
數字電路測量有著(zhù)與數字測量相類(lèi)似的需求，不過(guò)游標和自動(dòng)測量使得重復性的測試更加容易。為了對器件性能作出文檔說(shuō)明，常常需要波形存儲功能。
　　電源測量：交流電壓、電流、諧波。
對于示波器來(lái)說(shuō)，電壓測量和其他的動(dòng)態(tài)測量并沒(méi)有很大的不同，只是電壓和電流值太高可能發(fā)生危險，而且信號可能沒(méi)有真正的接地。為此，需要采用專(zhuān)門(mén)的探頭技術(shù)。
在測量電源的諧波（為了使電源符合穩壓電源的質(zhì)量標準，應測量此參數）時(shí)，需要FFT（快速富利葉變換）工具提供信號的頻域圖。
　　很顯然，為當今的測量任務(wù)選擇一臺通用的示波器是至關(guān)重要的。值得慶幸的是，現代的數字存儲示波器（DSO）能夠很好地勝任上述大多數測量任務(wù)。但是各種型號的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?jì)H有1.5公斤），有波形存儲功能，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)濟的價(jià)位提供60MHz和100MHz、200MHz的一系列數字示波器。
　　◆ 數字電路測量
　　調試樣機是每個(gè)數字設計項目的組成部分。有時(shí)，如果電路的運行不穩定，或者根本不工作，就必須確定主時(shí)鐘信號在整個(gè)系統中的傳送是否正確，在到達目的地時(shí)是否完好無(wú)損。通常有很多測試點(diǎn)和器件的引線(xiàn)需要檢查。在直觀(guān)地檢查信號的完整性時(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(méi)有自動(dòng)測量手段，這個(gè)過(guò)程會(huì )因過(guò)于費時(shí)而失去了實(shí)際意義。TDS 2012這樣的自動(dòng)化數字存儲示波器是數字電路測量的最佳工具。
　　TDS2012 的可以選擇波形的"聰明"自動(dòng)設置（AUTOSET）功能，可以立即給出很合用的波形。AUTOSET能自動(dòng)設置觸發(fā)方式、獲取方式、垂直標度因子，以及捕獲目標波形并將其清晰地顯示出來(lái)所需要的其他參數。通過(guò)屏幕上的波形可以很容易地檢查信號的畸變或失真。 下一步是用另一個(gè)內置的省時(shí)功能來(lái)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)測量并顯示結果。當從一個(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)設置，并隨著(zhù)測量工作的進(jìn)行重新估價(jià)出新的測量方式。圖1給出了測量結果。圖中顯示了時(shí)鐘信號，以及頻率、周期和振幅峰值的定量讀數。
如果在設計中把敏感的模擬電路和快速的數字元件組合在一起，那么數字的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)就有可能進(jìn)入模擬電路。例如在錄像機中，這些瞬態(tài)可以疊加到視頻信號上并引起令人厭煩的畫(huà)面失真。模擬電路本身固有的噪音常常掩蓋了開(kāi)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(guò)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。示波器最多可選擇128個(gè)獲取項，并生成一個(gè)平均的波形，只選擇能夠產(chǎn)生最佳結果的獲取數就可以了。圖2 給出了一條模擬信號線(xiàn)的平均視圖。原來(lái)被無(wú)關(guān)的噪音掩蔽起來(lái)的數字瞬態(tài)，現在很清晰地從底線(xiàn)突現出來(lái)。從瞬態(tài)的頻率和時(shí)間特征可以找到有關(guān)其來(lái)源的線(xiàn)索。在本案例中，兩塊電路板導軌相距太近，以致于將數字信號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(guò)沖。這種故障使模擬示波器和其他數字存儲示波器的等時(shí)獲取功能無(wú)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)周期中的負向尖峰脈沖可能是轉換中的一個(gè)固定位造成的。請注意，TDS 2012的PEAK DETECT功能結合了它的高帶寬和10倍過(guò)采樣能力，使得瞬態(tài)在第一位置上暴露無(wú)遺。當前，這一功能在貼近檢查尖峰脈沖時(shí)是很有用的。
為此，要用水平位置調節將觸發(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）應當為 0。然后，調整觸發(fā)電平使波形的過(guò)沖部分位于屏幕的中心。最后一步是用水平SEC/DIV調節將過(guò)沖展開(kāi)。
　　◆ 集成電路參數測量
　　隨著(zhù)時(shí)鐘頻率的逐年增加，邏輯器件的技術(shù)規范，建立時(shí)間和保持時(shí)間，變得更加重要。雖然制造商的數據表里提供了建立時(shí)間和保持時(shí)間參數，在電路中配置新的器件之前通常還是要對這些參數加以確認。TDS 2012 的時(shí)間游標簡(jiǎn)化了建立時(shí)間和保持時(shí)間的測量。
建立時(shí)間是指有效數據到達和將數據采集到器件中去的時(shí)鐘邊緣之間的時(shí)間量。換言之，就是數據在被采集之前必須存在多長(cháng)時(shí)間。圖5 描述的是數據和時(shí)鐘信號；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；然后，用垂直位置旋鈕將其定位。在本例中游標1 是設定在數據信號（下面的軌跡）振幅的50％處，而游標2 是位于時(shí)鐘下降沿的頂部。在波形右面"Delta"欄中的讀數即為測得的建立時(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(guò)程。保持時(shí)間就是在時(shí)鐘信號的鎖存沿采集了數據之后該數據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(wú)須使用游標。
在描述器件特性時(shí)經(jīng)常需要將結果記錄在文檔中。如果在TDS 2012 上配備了接口模塊，即可通過(guò)接在并行端口的兼容打印機將波形打印出來(lái)，通過(guò)泰克的OpenChoice 軟件，示波器也可將信息發(fā)送到外接的PC計算機上或進(jìn)行更多的參數測量。此外，這種示波器還能存儲兩個(gè)完整的波形數據以供在任何時(shí)候重新調用和顯示。
　　◆ 電源測量
　　電源測量有其特殊的要求。當然，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(méi)有參考接地。由于多數示波器都需要以地為基準的信號，所以必須使用能夠將示波器的地與電路的地隔離開(kāi)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1300伏，適用于電機驅動(dòng)、供電和其他的浮動(dòng)量的測量。
開(kāi)關(guān)電源的穩壓電路通常要使用功率MOSFET（MOS場(chǎng)效應管）。為了測量MOSFET上的Vds（漏極到源極的電壓）值（參見(jiàn)圖7），將P5200探頭連接到示波器輸入端，將其衰減開(kāi)關(guān)設定為50X或500X（視待測電路的電平而定）。通過(guò)所用通道的VERTICAL MENU按鈕選擇與待測電平相匹配的垂直標度。這樣可以確保屏幕讀數的大小適當。P5200是差分探頭，有兩根導線(xiàn)跨接在測試點(diǎn)上。P5200的輸出是低電平的單端信號，可以像其他TDS 2012波形一樣用AUTOSET、自動(dòng)測量或游標等方式獲取。
　　電流測量相當簡(jiǎn)單。泰克公司的A621自供電電流探頭直接連接到TDS2012上，并以同樣的方法設置測量過(guò)程。電流探頭是非接入式的，傳感器"環(huán)繞"著(zhù)導體，通過(guò)感應耦合來(lái)獲取信號。圖7所示的電流測量是將A621的傳感器端頭置于來(lái)自整流器和濾波器的導線(xiàn)周?chē)��?
開(kāi)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)量的穩壓標準（如IEC 555），測量諧波內容的需求日益增多。TDS 2012還可進(jìn)行諧波測量，自動(dòng)地將常規的時(shí)域波形（如上述電壓波形或電流波形）轉換為它的頻率成分（諧波）。
　　◆ 結論
　　用示波器完成的很多測量都是"常規"的，但這并不意味著(zhù)測量本身是簡(jiǎn)單的。它們要求測量?jì)x器不但能給出精確的結果，還要能夠簡(jiǎn)化測量作業(yè)（諸如時(shí)間和振幅測量、過(guò)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)濟實(shí)惠，是每個(gè)工程師案頭必備之物。