了解示波器的兩種常見反應特性

　　示波器的反應特性會對信號的波形有所影響，並改變信號上升時間的計算。當Pentium4進千兆赫時代後，SerialATA及PCIExpress等高速接口或總線也陸續超越了Gbps，選擇適當的探針當然是一件重要的事，但選擇合適的示波器也是不可欠缺的工作。
　　測量波形從輸入連接器經過采樣和信號處理顯示在屏幕上，同時保存數據。一旦選擇了不適當的數位示波器示波器，波形就可能變形。尤其在測量像PCIExpress高速串行接口的波形時，不僅要衡量采樣頻率及帶寬，還必須對示波器的反應特性有所認知。比如，在測量非常陡峭的信號變化時，會因為示波器反應特性的差異而有所不同。
　　反應系統分為兩大類
　　示波器的反應特性泛指從輸入端的連接頭到畫面顯示整個測量系統的“傳遞特性”。通常可以分為高斯(GaussianResponse)型反應系統和磚牆(Brick-wallResponse)型反應系統兩大類。磚牆型反應系統也稱平坦反應型(FlatResponse)。
　　要區分或比較這兩類系統的差異，最簡單的方法就是看“-3dB頻率特性”及“步級(Step)波訊號產生器形的反應”這兩個基本參數。
　　常用的模擬示波器屬於高斯型反應系統，其頻率特性會在右肩端緩慢下滑，而步級波形的輸入即使再陡峭，也不容易產生波形失真，即不會產生步級波形瞬間的前沖(Preshoot)、波形後的過沖(Overshoot)或波形上下震動的振鈴(Ringing)等現象。在測量短過渡時間的數字電路信號時，這是很理想的特性。
　　模擬示波器必須將輸入端輸入的數mV微小電壓信號經過幾級的放大電路，變頻譜分析儀換成數百mV的電壓，以確保足夠驅動CRT顯示。這些放大電路的頻率反應特性正是高斯型的。
　　而在測量高速串行接口的波形時，一般采用實時采樣方式的寬帶電子負載數字示波器，這類示波器多采用磚牆反應型的應答系統。
　　磚牆反應型的應答特性又稱“最高平坦應答”，在頻帶內頻率響應極為平坦，而到了頻帶外的轉降(Roll-Off)時，信號相當陡峭。像這樣理想的頻率特性，在頻帶內的信號振幅是不會有衰減現象發生的。超過頻帶之外，信號振幅就成為零。
　　與高斯反應示波器相比，磚牆反應型示波器還是有幾個缺點：
　　對於輸入步級波形的反應，容易出現前沖或過沖波形
　　示波器上升時間較長，換言之，就是反應比較慢
　　這裏所說的示波器上升時間，是指步級輸入對應到輸出波形的上升時間。這個時間越短，代表示波器越能忠實地展現出從輸入連接器端測量到的波形。因此，示波器上升時間就是其高頻特性的代名詞。同時，數字信號的上升時間，一般是指從低位階遷移到高位階的時間。通常指信號位階10%～90%的上升遷移時間，而對於高速數字通信來說，大多是指20%～80%的時間遷移。
　　下面這兩個數學式可用來估算磚牆反應型及高斯反應型示波器的上升時間：
　　磚牆反應型示波器的上升時間(ns)=0.45/帶寬(GHz)
　　高斯反應型示波器的上升時間(ns)=0.35/帶寬(GHz)，理想上應該是0.338/帶寬(GHz)
　　盡管磚牆反應型示波器的上升時間略遜一籌，實時采樣的寬帶數字示波器機種主要還是采用磚牆反應型的應答特性。仔細探究起來，主要的內在理由有二。其一，是要回避輸入信號與輸出信號電壓振幅的誤差，因為高斯反應型示波器在頻帶內的振幅誤差太大。從圖2所示兩種示波器的頻率響應圖可以看出它們在這方面的優劣。假設輸入信號帶寬為1GHz，采樣頻率4GHz，由圖2所示可看出，高斯反應型示波器的頻率特性在右肩緩慢下滑，尤其在超過帶寬1/3的頻帶領域，波形明顯衰減，即信號誤差大。

示波器穿刺噪聲的正確測量和改進措施

　　現在一講到示波器可能很多人都還不知道到底是個什麼東西，但是對於一些工程師來說那就再熟悉不過了，因為他們可能每天都在用著，示波器可以說是他們離不開的最好的測試工具，所以示波器的使用對他們來說是很重要的，在以前可能因為示波器屬於高端電子儀器，很多人還用不起，不過現在隨著個、科技的發展，示波器的使用也越來越普遍，價格也有了明顯的下降，基本上工程師都是人手一個，因此示波器的使用是很廣泛的，工程師也是對示波器有很多的了解的。
　　隨著DC/DC轉換器的開關頻率的不斷升高，穿刺噪聲的影響變得也越來越明顯。現在，盡管由於示波器的性能不斷的提高數位示波器使得穿刺噪聲的觀測變得簡單了，但是要准確得到實際穿刺噪聲的大小以及分析具體產生的原因還是和很多因素有關，例如使用正確的測試方法，外部使用器件的合適選擇，線路板線路的合理布局等等。
　　■ 產生的原因
　　穿刺噪聲產生的原因主要分為兩大類:
　　1.測試方法
　　測試時，示波器的探針的不同連接方法對穿刺噪聲的測量有很大影響。
　　2.外圍使用器件的正確選擇和線路布局的影響
　　當DC/DC轉換器在控制開關動作完成的同時，肖特基二極管打開和截止的瞬間有逆向漏電流流過,同時開關打開和頻譜分析儀斷開的瞬間基板上有大的電流流過，造成基板上不同器件之間產生較大電位差;另外由於線圈的電磁波磁場的影響也會導致有較大的穿刺噪聲產生。
　　■ 測試方法的改善
　　當DC/DC轉換器工作的時候，可以用示波器觀察到在開關閉合和打開的瞬間，輸出電壓中會有幾百毫伏的穿刺噪聲信號產生，而且在測試的過程中，隨著探針測試方向的改變，噪聲信號的大小也會發生很大的變化。實際輸出電壓中的噪聲除了正確的測試方法以外，還受到其他因素的影響，因此要准確測量輸出電壓中穿刺噪聲成份的大小，就需要避免由於測試探針受外界的環境的影響而增加的那部分噪聲信號，具體操作如下:
　　A:這種普通的測試探針由於地線比較長象天線一樣。
　　B:去除探針的接地端和探頭的屏蔽部份，容易受外界的環境影響。
　　C:然後直接把探頭的金屬端和輸出端連接，探針的地線部份和線路板的地線連接，這樣可以有效的防止外界噪聲的幹擾。
　　同樣地線測試基准點的選擇對於穿刺噪聲的大小也有著很大的影響,DC/DC轉換器後端的輸出電訊號產生器容的容值對於穿刺噪聲的實際值得大小也有著重要的影響。
　　■ 應用對策:
　　實際應用過程中間需要注意的地方很多，下面列舉一些供參考:
　　1.在選擇輸入電容時盡量使用感抗小的電容，或者並聯一個0.01μF的陶瓷電容，並且電子負載要盡量的靠近開關晶體管和二極管。
　　2.輸出電容的等效電阻ESR是影響穿刺噪聲大小的一個很重要的因素(VRIPPLE=RESR*DIL),因此要正確的選擇一個電容就需要綜合考慮電容的價格，等效阻抗的大小和容值之間關系。由於陶瓷電容有很好的高頻特性，而且等效電阻ESR也很小,實際應用電路中盡量選擇可使用陶瓷電容的DC/DC轉換芯片;
　　3.在FET開關管的G端和DC/DC之間增加一個5-50毫歐的電阻;
　　4.在開關管和肖特基二極管的兩端各並聯一個RC緩沖回路;
　　5.選用逆向導通恢複時間特性好的肖特基二極管，減少漏電流的流過;
　　6.當電路中有非連續的大電流流過時，外置開關管和線圈之間的導線要盡量的短，而且盡量遠離輸出接地端;
　　7.選擇使用閉磁類型電路的電感線圈;
　　8.在輸出端增加一個濾波電路(低通LC&RC回路);

　　9.在電路中增加一個鐵氧磁體器件可以濾除高頻雜波信號。

示波器功能提升之後該如何選擇

　　由於電子技術的發展，示波器的能力在不斷提升，其性能與價格也五花八門，市場參差不齊。而示波器數位示波器自從問世以來，它一直是最重要、最常用的電子測試儀器之一。示波器看似簡單，但如何選擇，也存在許多問題。今天就從幾個方面告知您在選擇示波器時應注意的問題：
　　一、了解您需要測試的信號
　　您要知道用示波器觀察什麼?您要捕捉並觀察的信號其典型性能是什麼?您的信號是否有複雜的特性?您的信號是重複信號還是單次信號?您要測量的信號過渡過程的帶寬，或者上升時間是多大?您打算用何種信號特性來觸發短脈沖、脈沖寬度、窄脈沖等?您打算同時顯示多少信號?您對測試信號作何種處理?
　　二、選擇示波器的核心技術差異：模擬(DRT)、數字(DSO)、還是數模兼合(DPO)
　　傳統的觀點認為模擬示波器具有熟悉的控制面板，價格低廉，因而總覺得模擬示波器“使用方便”。但是隨著A/D轉換器速度逐年提高和價格不斷降低，以及數字示波器不斷增加的測量能力和實際上不受限制的測量功能，數字示波器已獨領風騷。但是數字示波器顯示具有三維的缺陷、處理連續性數據慢等缺點，需要具有數模兼合技術的示波器，例DPO數字熒光示波器。
　　三、確定測試信號帶寬
　　帶寬一般定義為正弦波輸入信號幅度衰減到-3dB時的頻率，即幅度的70.7%。帶寬決定示波器對信號的基本測量能力。如頻譜分析儀果沒有足夠的帶寬，示波器將無法測量高頻信號，幅度將出現失真，邊緣將會消失，細節數據將被丟失;如果沒有足夠的帶寬，得到的信號所有特性，包含響鈴和振鳴等都毫無意義。
　　一個決定您所需要的示波器帶寬有效經驗——“5倍經驗准則”：將您要測量的信號最高頻率分量乘以5，使測量結果獲得高於2%的精度。
　　在某些應用場合，您不知道你的感興趣的信號帶寬，但是您知道它的最快上升時間，這時頻率響應用下面的公式來計算關聯帶寬和儀器的上升時間：Bw=0.35/信號的最快上升時間。
　　數字示波器帶寬有兩種類型：重複(或等效時間)帶寬和實時(或單次)帶寬。重複帶寬只適用於重複訊號產生器的信號，顯示來自於多次信號采集期間的采樣。實時帶寬是示波器的單次采樣中所能捕捉的最高頻率，且當捕捉的事件不是經常出現或瞬變信號時就更為重要，實時帶寬與采樣速率緊密聯系。
　　帶寬越高越好，但是更高的帶寬往往意味著更高的價格，因此應按照預算來選擇您要觀察的信號頻率成分。
　　四、A/D轉換器的采樣速率(或采樣速度)
　　單位為每秒采樣次數(S/s)，指數字示波器對信號采樣的頻率。示波器的采樣速率越快，所顯示的波形的分辨率和清晰度就高，重要信息和事件丟失的概率就越小。
　　如果需要觀測較長時間范圍內的慢變信號或低頻信號，最小采樣速率就發揮了作用，為了在顯示的波形記電子負載錄中保持固定的波形數，需要調整水平控制旋鈕，而所顯示的采樣速率也將隨著水平調節旋鈕的變化而變化。
　　如何計算采樣速率?計算方法取決於所測量的波形類型，以及示波器所采用的信號重建方式，例正弦插入法，矢量插入法等。為了准確地再現信號並避免混淆，奈奎斯定理規定：信號的采樣速率必須不小於其最高頻率成分的兩倍。然而，這個定理的前提是基於無限長時間和周期連續的信號。由於示波器不可能提供無限時間的記錄長度，而且從定義上看，低頻幹擾是不連續的，也不是周期的，所以采用兩倍於最高頻率成分的采樣速率通常是不夠的。
　　實際上，信號的准確再現取決於其采樣速率和信號采樣點間隙所采用的插值法，即波形重建。一些示波器會為操作者提供以下選擇：測量正弦信號的正弦插值法，以及測量矩形波、脈沖和其他信號類型的線性插值法。
　　有一個比較采樣速率和信號帶寬時很有用的經驗法則：如果您正在觀察的示波器有內插(通過篩選以便在取樣點間重新生成)，則(采樣速率/信號帶寬)的比值至少應為4∶1;無正弦內插時，則應采取10∶1的比值。
　　五、屏幕刷新率也稱為波形更新速度
　　所有的示波器都會閃爍，示波器每秒鍾以特定的次數捕獲信號，在這些測量點之間將不再進行測量，這就是波形捕獲速率，也稱屏幕刷新率，表示為波形數每秒(wfms/s)。一定要區分波形捕獲速率與A/D采樣速率的區別。采樣速率表示示波器在一個波形或周期內A/D采樣輸入信號的頻率;波形捕獲速率則是指示波器采集波形的速度。波形捕獲速率取決於示波器的類型和性能級別，且有著很大的變化范圍。高波形捕獲速率的示波器將會提供更多的重要信號特性，並能極大地增加示波器快速捕獲瞬時的異常情況，如抖動、矮脈沖、低頻幹擾和瞬時誤差的概率。
　　一般來講，模擬示波器由於電路簡單，其屏幕刷新率較高，而數字存儲示波器(DSO)使用串行處理結構每秒鍾可以捕獲10到5000個波形。為了改變數字示波器屏幕刷新率低的問題，數字熒光示波器采用並行處理結構，可以提供更高的波形捕獲速率，有的高達每秒數百萬個波形，大大提高了捕獲間歇和難以捕捉事件的可能性，並能讓您更快地發現信號存在的問題。