測(cè)試測(cè)量關(guān)鍵基礎(chǔ)之示波器（二）

　　在電源中有許多很容易耦合到探針中的高速的、大電壓和電流信號(hào)波形，其中包括來(lái)自功率變壓器的磁場(chǎng)耦合、來(lái)自開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)耦合、以及由變壓器交繞（interwinding）電容產(chǎn)生的共模電流。

　　圖1：不當(dāng)?shù)募y波測(cè)量得到糟糕的結(jié)果。

　　采用正確的測(cè)量技術(shù)可切實(shí)改善紋波測(cè)量的結(jié)果。首先，通常會(huì)規(guī)定紋波的帶寬上限，以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲，應(yīng)該給用于測(cè)量的示波器設(shè)定合適的帶寬上限。其次，可以通過(guò)摘掉探針的“帽子”來(lái)去掉接地長(zhǎng)引線(xiàn)形成的天線(xiàn)。如圖2所示，我們把一段短線(xiàn)繞在探針接地引線(xiàn)周?chē)⑹怪c電源地相連接。這樣做附帶的好處是縮短暴露在電源附近高強(qiáng)度電磁輻射中的探針長(zhǎng)度，從而進(jìn)一步減少高頻拾取。

　　最后，在隔離電源中，真正的共模電流是由在探針接地引線(xiàn)中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的，這就使得在電源地和示波器地之間產(chǎn)生電壓降，表現(xiàn)為紋波。要抑制這個(gè)紋波，需要在電源設(shè)計(jì)中仔細(xì)考慮共模濾波問(wèn)題。

　　此外，把把示波器引線(xiàn)繞在鐵芯上可減小這個(gè)電流，因?yàn)檫@樣會(huì)形成一個(gè)不影響差分電壓測(cè)量、但可降低由共模電流產(chǎn)生的測(cè)量誤差的共模電感。圖2顯示了采用改進(jìn)測(cè)量技術(shù)對(duì)同一電路得到的紋波電壓測(cè)量結(jié)果?？梢钥吹?，高頻尖刺已幾乎消除。

　　圖2：四種簡(jiǎn)單改進(jìn)極大地改善了測(cè)量結(jié)果。

　　事實(shí)上，當(dāng)電源集成到系統(tǒng)中之后，電源紋波性能甚至?xí)?。在電源和系統(tǒng)其它部分之間幾乎總會(huì)存在一定量的電感。電感可能是由導(dǎo)線(xiàn)或在印刷線(xiàn)路板上的蝕刻線(xiàn)形成的，而在芯片附近總會(huì)有作為電源負(fù)載的附加旁路電容，這兩者形成低通濾波效應(yīng)并進(jìn)一步降低電源紋波和/或高頻噪聲。

　　舉一個(gè)極端的例子，由電感量為15nH的長(zhǎng)一英寸的短線(xiàn)和電容量10μF的旁路電容構(gòu)成的濾波器，其截止頻率為400kHz。該實(shí)例意味著能大幅減少高頻噪聲。該濾波器的截止頻率比電源紋波頻率低很多倍，可以切實(shí)降低紋波。聰明的工程師應(yīng)該在測(cè)試過(guò)程中設(shè)法利用它。

　　二、示波器觸發(fā)原理及有效使用方法

　　本文的目的在于幫助工程師了解觸發(fā)的基本原理以及有效使用觸發(fā)的策略。

　　什么是觸發(fā)？

　　任何示波器的存儲(chǔ)器都是有限的，因此所有示波器都必須使用觸發(fā)。觸發(fā)是示波器應(yīng)該發(fā)現(xiàn)的用戶(hù)感興趣的事件。換句話(huà)說(shuō)，它是用戶(hù)想要在波形中尋找的東西。觸發(fā)可以是一個(gè)事件（即波形中的問(wèn)題），但不是所有的觸發(fā)都是事件。觸發(fā)實(shí)例包括邊沿觸發(fā)、毛刺信號(hào)觸發(fā)和數(shù)字碼型觸發(fā)。

　　示波器必須使用觸發(fā)的原因在于其存儲(chǔ)器的容量有限。例如，Agilent 90000 系列示波器具有 20 億采樣的存儲(chǔ)器深度。但是，即便擁有如此大容量的存儲(chǔ)器，示波器仍需要一些事件來(lái)區(qū)分哪 20 億個(gè)采樣需要顯示給用戶(hù)。盡管 20 億的采樣聽(tīng)起來(lái)似乎非常龐大，但這仍不足以確保示波器存儲(chǔ)器能夠捕獲到感興趣的事件。

　　示波器的存儲(chǔ)器可視為一個(gè)傳送帶。無(wú)論什么時(shí)候進(jìn)行新的采樣，采樣都會(huì)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器存滿(mǎn)時(shí)，最舊的采樣就會(huì)被刪除，以便保存最新采樣。當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，示波器就會(huì)捕獲足夠的采樣，以將觸發(fā)事件存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器要求的位置（通常是在中間），然后將這些數(shù)據(jù)顯示給用戶(hù)。

　　重復(fù)采樣模式與單次采樣模式

　　過(guò)去，最常見(jiàn)的示波器運(yùn)行模式是重復(fù)模式。這意味著一旦示波器觸發(fā)并將數(shù)據(jù)顯示給用戶(hù)，它將立即開(kāi)始搜索下一個(gè)觸發(fā)事件。這就是示波器波形更新如此頻繁的原因。

　　任何一款示波器要想進(jìn)行觸發(fā)并將數(shù)據(jù)顯示給用戶(hù)，都需要時(shí)間來(lái)重新準(zhǔn)備觸發(fā)。這個(gè)時(shí)間也稱(chēng)為“掛起時(shí)間”。在掛起時(shí)間內(nèi)，示波器不能捕獲任何波形。因此，掛起時(shí)間越短，錯(cuò)失的事件越少。例如，如果有一個(gè)毛刺信號(hào)恰巧在掛起時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，那么它將不能在示波器的顯示屏上顯示。如果這個(gè)毛刺信號(hào)是一個(gè)罕見(jiàn)事件，則用戶(hù)可能認(rèn)為波形中沒(méi)有毛刺信號(hào)，而事實(shí)上它卻是存在的。因此，示波器的掛起時(shí)間越短，錯(cuò)失波形中重要事件的幾率就越低。

　　表述此概念的另一種方法是“更新速率”，即每秒鐘的波形數(shù)量。例如，Agilent 7000 系列示波器具有 100000 波形/秒的更新速率。

　　單次采樣模式用于查找單一觸發(fā)，而不會(huì)繼續(xù)采集更多波形。因此，當(dāng)用戶(hù)想要查找某個(gè)事件，檢查導(dǎo)致該事件的原因和事件發(fā)生后所出現(xiàn)的問(wèn)題時(shí)，便可使用單次采樣模式。這種模式對(duì)于分析不重復(fù)并且每次操作都會(huì)發(fā)生變化的波形尤其重要。

　　自動(dòng)模式與觸發(fā)模式

　　如果沒(méi)有發(fā)生觸發(fā)事件，將會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？這一個(gè)非常好的問(wèn)題。在這種情況下，屏幕上的波形將不會(huì)更新。這不是我們想要的情況，因?yàn)橛脩?hù)可能不知道如何改變觸發(fā)來(lái)獲得屏幕上的波形。例如，如果探頭滑落，示波器將可能停止觸發(fā)。不過(guò)，如果屏幕不能更新，信號(hào)丟失將很不明顯。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，示波器擁有一個(gè)稱(chēng)為“自動(dòng)（Auto）”觸發(fā)的模式。在此模式下，如果在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法找到觸發(fā)，示波器將自動(dòng)觸發(fā)以更新屏幕。通常，示波器上有一些指示器（例如前面板上的 LED）來(lái)指示上一個(gè)觸發(fā)是真實(shí)觸發(fā)還是自動(dòng)觸發(fā)。這樣，如果用戶(hù)看到“自動(dòng)（Auto）”指示器，他們就會(huì)知道所設(shè)置的觸發(fā)沒(méi)有發(fā)生。例如，如果用戶(hù)設(shè)置的觸發(fā)為毛刺信號(hào)，他們將會(huì)知道示波器沒(méi)有檢測(cè)出毛刺信號(hào)。

　　然而，當(dāng)您回顧上一段的內(nèi)容時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自動(dòng)觸發(fā)發(fā)生時(shí)，它就意味著每次觸發(fā)之后，示波器進(jìn)行重新準(zhǔn)備時(shí)具有掛起時(shí)間。為了完全避免這一時(shí)間，示波器應(yīng)改為“觸發(fā)（triggered）”模式。（這在某些示波器中稱(chēng)為“正常”模式）。在“觸發(fā)（triggered）”模式中，除非發(fā)現(xiàn)觸發(fā)事件，否則示波器將不會(huì)進(jìn)行觸發(fā)。因此，如果用戶(hù)將觸發(fā)模式設(shè)置為毛刺信號(hào)并且示波器一直沒(méi)有進(jìn)行觸發(fā)，那么用戶(hù)就可以確信毛刺信號(hào)沒(méi)有發(fā)生（至少示波器能夠檢測(cè)出）。

　　三、示波器死區(qū)時(shí)間和波形捕獲率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

　　發(fā)展到今天，傳統(tǒng)的模擬示波器已經(jīng)漸漸淡出了人們的視野，數(shù)字示波器幾乎已經(jīng)取代模擬示波器成為硬件工程師手中電路調(diào)試的最常用的一種儀器設(shè)備了。你是否覺(jué)得示波器提供給了被測(cè)信號(hào)的所有信息呢？事實(shí)上，示波器在大部分時(shí)間都處在一個(gè)無(wú)法檢測(cè)信號(hào)的無(wú)信號(hào)狀態(tài)，通常把這段丟失信號(hào)的時(shí)間稱(chēng)為死區(qū)時(shí)間。

　　什么是死區(qū)時(shí)間

　　要想了解死區(qū)時(shí)間的來(lái)源，需要先對(duì)數(shù)字示波器的結(jié)構(gòu)有一個(gè)基本的了解。數(shù)字示波器的典型組成框圖如圖1、圖2所示。

　　圖1：傳統(tǒng)數(shù)字示波器組成框圖。

　　圖2：R&S公司RTO系列示波器組成框圖。

　　被測(cè)信號(hào)通過(guò)輸入通道進(jìn)入示波器，并通過(guò)垂直系統(tǒng)中的衰減器和放大器加以調(diào)節(jié)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）按照固定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，并將各個(gè)信號(hào)振幅轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字值，稱(chēng)為“樣本點(diǎn)”。采集模塊隨后則執(zhí)行處理功能，例如樣本抽取，默認(rèn)一般都為采樣模式。輸出數(shù)據(jù)作為樣本點(diǎn)（samples）存儲(chǔ)在采集存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)的樣點(diǎn)數(shù)目用戶(hù)可以通過(guò)記錄長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)置。