示波器能测试哪些信号

测试专家教你如何用好示波器(示波器标准信号怎么测试)

7月11日，由全球最大的电子科技传媒集团ASPENCORE的电子工程画册、电子科技设计、国际电子商务主办的2019“智”动与工业4.0论坛在深圳科技园举行。来自美国、香港、台湾和mainland China的八家领先企业的技术专家与来自智能制造和工业自动化的专业人士进行了面对面的互动。

深圳市丁洋科技有限公司(SIGLENT)邓立斌先生在大会上为我们做了“工业4.0时代国产基础测试测量仪器的应用与挑战”的主题演讲。

演讲前，邓力斌先生就以下问题进行了市场调研:

你怎么看待工业4.0？

工程师这样回答:

①我觉得这是一个自上而下的事情。就我们基本RD测试这边来说，目前变化不大，基本感觉不到影响；

②工业4.0提出以来，自动化、智能化的进程明显加快，特别是对于生产线，改造了很多工厂，效率提高了很多；

③别人不知道，云计算和大数据这几年真的很火；

④工业4.0不仅仅是自动化和智能化。智慧城市、智慧交通、智慧生活对我们生活的方方面面都有影响，但在工作上似乎没有什么变化。

⑤工业4.0的概念由来已久，影响力肯定是有的。我们现在的社会进程是在大方向上做出的，我们在各行各业享受到的便利肯定与此有关。。。

丁洋示波器如何搭上工业4.0的快车？

工程师的回答是这样的:

①你们公司的这些产品都是基础仪器，跟这个不搭吧？

②任何时候都要使用示波器。无论什么时代，什么题材，你的乐器都是不可或缺的，但我想不出对此有什么打算，因为我不得不说，我要配合这个时代。

③我觉得这个时代对你最好的消息就是国家开始重视制造业了。只要制造业启动，对基础设备的需求就很大，你的春天就来了。

④一般来说，工业4.0跟你没啥关系，比如智能化，自动化，物联网，5G。这些速率很高，你的产品适合做基础研发，这些高速度你应付不来。

⑤我觉得你的产品定位是基础市场，所有涉及电子电路测试的公司都可以用。没必要和这个产业趋势挂钩。当然，如果能通过这种趋势找到行业客户进行推广，会事半功倍。那你可以考虑一下这个。。。

丁洋示波器主要测量哪些信号和参数？

工程师的回答如下:

①主要测量日常的电压电流波形，然后测量纹波噪声，也就是峰值和频率，有时候看抖动；

②简单测量波形，在生产线上使用，集成到软件中读取数据。数据为4通道峰值和1 2通道相位差，3 4通道相位差；

③测量晶振、频率抖动和纹波噪声，偶尔做IIC和SPI解码；

④频谱分析仪用于测量干扰，分析定点辐射干扰，非常实用；

⑤测量电源、定时、时钟、串口协议，也检查一些异常波形，基本都是日常读数用的。

如何选择示波器的核心指标？

邓利斌先生指出，使用示波器时，需要配置的核心参数是带宽、采样率、存储深度和探头。

示波器带宽通常指模拟带宽，即示波器前端放大器的幅频特性曲线的截止频率点，即正弦波输入信号衰减到信号真实幅度的70.7%时的频率，也称为3dB截止频率点。示波器带宽由垂直系统的放大器和低通滤波器(或反联络LPF)决定，与测量精度密切相关。

带宽取决于测试的精度和上升沿的速度(带宽和上升时间的关系决定了带宽的选择)。

被测信号的类型和上升时间也决定了示波器带宽的选择。方波中的谐波成分越多，上升沿就越陡，上升时间就越短，信号的带宽就越宽。

当实际信号的上升时间是示波器的3倍以上时，测量精度可以达到5%，对于大多数RD人员来说是最好的折中选择。

对于开关电源来说，常见的开关管一般是kHz级别的开关频率，上升时间一般在100ns左右。即使开关管在30ns，1/3的上升时间为10ns，100MHz示波器也能满足要求，但新一代酷Mos的上升时间为11ns，下降时间为3ns。此时，需要一个至少350MHz带宽的示波器。

采样率保证了高采样，可以准确捕捉到一些尖峰。必须注意，超过带宽5倍以上的采样率才能保证测量精度良好的采样，测试脉冲波需要在上升沿采样3~5点。高采样率减少了测试波形的失真。

长存储深度可以保证信号在长时基下的保真度。在存储深度一定的情况下，存储速度越快，存储时间越短。增加示波器的存储深度可以间接提高示波器的采样率:在长时间测量波形时，由于存储深度是固定的，只能通过降低采样率来实现，但这必然会导致波形质量的下降。如果存储深度增加，可以以更高的采样率进行测量，以获得不失真的波形。

示波器的第一个关系如下:

存储深度=采样率×采样时间

探针的选择取决于测试的类型和相应的范围。探针将对测试系统产生以下影响:

探头带宽对测量系统带宽的影响:滤波效应

探头本身电路对被测电路特性的影响:负载效应/谐振效应。

探头高低频电容的补偿效应

地线的长度、地线的位置和形状、探头的放置位置引起的辐射耦合:天线效应。

主动探头本身的噪声影响:信噪比

探头衰减率引起的噪声同步放大:量化误差问题

探头的衰减率随工作年限而变化；电阻值的漂移

探头接地环境引起的传导耦合:接地是一个永恒的话题。

浮测是非:接地气是永恒的话题。

以及探头与探头之间接地回路的干扰:接地是一个永恒的话题。

波特图的实测案例

稳定性是电源设计中一个非常重要的指标。稳压电源本质上是一个可以输出非常大电流的反馈放大器，所以适用于反馈放大器的理论同样适用于稳压电源(以下简称电源)。根据反馈理论，反馈系统的稳定性可以通过其系统传递函数来获得。在工程实践中，通常用回路增益的波特图来判断系统的稳定性。

邓力斌先生以丁洋示波器和信号源免费的波特图软件为例，讲解如何测量波特图。

这是一个典型的反馈系统。系统的闭环传递函数A是输入X和输出Y的数学表达式，环路增益T是信号通过环路一次所获得的增益。

我们可以画出系统环路增益的波特图来评价系统的稳定性，常用的表示系统稳定性的增益裕度和相位裕度指标一般都是从这里得到的。相位裕度是指增益降到1(或0dB)时，相位距离是-180°多少；增益裕量是指相位达到-180°时，增益比1(或0dB)小多少。

测量增益时可以断开回路吗？现实中反馈回路往往起到稳定电路静态工作点的作用，所以我们不能简单的断开回路来测量回路增益。反馈回路断开后，由于输入失调等原因，电路的输出会直接饱和。在这种情况下，无法进行任何有意义的测量。

为了维持闭环，我们在注入点插入一个小电阻，而不是在注入点断开环路，注入信号通过注入电阻注入环路。这个注入电阻的值应该足够小，通常很远。

远小于反馈网络的等效阻抗，从而保证注入电阻对反馈回路的影响可以忽略不计。

原则上，信号注入不能影响环路的静态工作点。为了解决实际电路中信号源与被测部分共地的问题，往往需要使用注入式变压器。注入信号从注入电阻的一端注入环路，经过反馈网络、误差放大器和功率晶体管到达输出端，即注入电阻的另一端。这样，输出信号Y和注入信号I之间的数学关系就是所需的环路增益。

这是稳压电源的测试板。上面的电路是用TL431和分立晶体管构建的线性电源。有一个开关可以切换输出电容，以获得不同的环路响应。

DUT输入通道和DUT输出通道的幅度在低频时差别很大，我们使用的是小激励信号，导致DUT输入通道上的信号太小，一般商用示波器无法准确测量。

但是我们不能简单的通过增加激励幅度来提高测量效果，因为反馈回路在交叉频率附近非常敏感，过大的激励信号会导致回路严重失真，得不到有用的结果。

在实际测量中，测试人员经常需要不断尝试这些参数，以找到电流电路的最佳设置。可行的方法是先在时域观察波形，降低激励幅度，直到看不到明显的失真，将这个幅度降低6dB，记录这个幅度和当前频率，跳到下一个频率，重复这个操作。如果您有一个已知的类似设置，有一个更好的方法来获得最准确的结果:将这个初始配置作为一个整体减少6dB，并扫描它以查看结果是否改变。如果有，就需要继续降低激励幅度。如果结果保持不变，最后一个设置就是理想情况。这两种方法都很繁琐费时，但为了获得理想的测量结果也是值得的。

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