示波器基础知识

第一讲 示波器基础之带宽的原理及实用技巧

上网时间：2009-12-11   作者：汪进进   来源：美国力科公司深圳代表处

中心议题：

• 示 波器带宽的原理
• 示波器带宽在测试中的应用
• 工 程师在选择示波器的时候，如何确定带宽？

带宽被称为示波器的第一指标，也是示波器最值钱的指标。示波器市场的划分常以带宽作为首要依据，工程师在选择示波器的时候，首先要确定的也是带宽。在销售 过程中，关于带宽的故事也特别多。

通常谈到的带宽没有特别说明是指示波器模拟前端放大器的带宽，也就是常说的-3dB截止频率点。 此外，还有数字带宽，触发带宽的概念。  

我们常说数字示波器有五大功能，即捕获（Capture），观察（View），测量(Measurement)，分析（Analyse）和归档 （Document）。 这五大功能组成的原理框图如图1所示。


图1，数字示波器的原理框图

捕获部分主要是由三颗芯片和一个电路组成，即放大器芯片，A/D芯片，存储器芯片和触发器电路，原理框图如下图2所示。被测信号首先经过探头和放大器及归 一化后转换成ADC可以接收的电压范围，采样和保持电路按固定采样率将信号分割成一个个独立的采样电平，ADC将这些电平转化成数字的采样点，这些数字采 样点保存在采集存储器里送显示和测量分析处理。  


图2，示波器捕获电路原理框图

示波器放大器的典型电路如图3所示。这个电路在模拟电路教科书中处处可见。这种放大器可以等效为RC低通滤波器如图4所示。 由此等效电路推导出输出电压和输入电压的关系，得出理想的幅频特性的波特图如图5所示。



图3，放大器的典型电路  



图4，放大器的等效电路模型  



图5，放大器的理想波特图



至此，我们知道带宽f2即输出电压降低到输入电压70.7%时的频率点。 根据放大器的等效模型，我们可进一步推导示波器的上升时间和带宽的关系式，即我们常提到的0.35的关系：上升时间=0.35/带宽，推导过程如下图6所 示。 需要说明的是，0.35是基于高斯响应的理论值，实际测量系统中这个数值往往介于0.35-0.45之间。在示波器的datasheet上都会标明“上升 时间”指标。 示波器测量出来的上升时间与真实的上升时间之间存在下面的关系式。 在对快沿信号测试中，需要通过该关系式来修正实际被测信号的上升时间。

Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2  



图6，示波器上升时间和带宽的关系

第二讲 示波器基础之采样率和存储深度

上网时间：2009-12-14   作者：汪进进   来源：美国力科公司深圳代表处

中心议题：

• 示波器的采样、采样速率
• 示波器的采样模式
• 示 波器的存储、存储深度

解决方案：

• 实时采 样用来捕获非重复性或单次信号
• 等效时间采样是对周期性波形在不同的周期中进行采样
• 在 高速串行数据的测量中用FFT来分析噪声和干扰
• 存储深度＝采样率×采样时间

在选择示波器时，工程师首先需要确定测量所需的带宽。然而当示波器的带宽确定后，影响实际测量的恰恰是相互作用、相互制约的采样率和存储深度。图1是数字 示波器的工作原理简图。
                                    
                                          图1数字存储示波器的原理组成框图

输入的电压信号首先进入示波器的前端放大器，放大器将信号放大或者衰减以调整信号的动态范围，其输出的信号由采样/保持电路进行采样，并由A/D转换器数 字化。经过A/D转换后，信号变成数字形式存入存储器中，微处理器对存储器中的数字化信号波形进行相应的处理，并显示在显示屏上。这就是数字存储示波器简 单的工作过程。

采样、采样速率

由于计算机只能处理离散的数字信号，模拟电压信号进入示波器后面临的首要问题就是连续信号的数字化（模/数转化）问题。

通过测量等时间间隔波形的电压幅值，并把该电压转化为用8位二进制代码表示的数字信息，这就是DSO的采样（见图2）。每两次采样之间的时间间隔越小，那 么重建出来的波形就越接近原始信号。采样率（SamplingRate）就是采样时间间隔的倒数。例如，如果示波器的采样率是每秒10G次 （10GSa/s），则意味着每100ps进行一次采样。
                                                  
                                                                             图2示波器的采样

第三讲 示波器基础之触发功能（上）

上网时间：2009-12-18   作者：汪进进   来源：美国力科公司深圳代表处

中心议题：

• 示波器的触发功能的含义

解 决方案：

• 多用于低频信号的准确测量中
• 要点： 触发源、触发点、触发电平、触发模式

触发是数字示波器区别于模拟示波器的最大特征之一。数字示波器的触发功能非常丰富，通过设置，用户可以看到触发前后的信号。 对于高速信号的分析，触发应用较少，因为通常是捕获很长时间的波形然后做眼图和抖动分析。而对于低速信号的测量，触发应用非常频繁，因为通常会有很多杂讯 需要被隔离。

示波器的采集存储器是一个循环缓存，新的数据会不断覆盖老的数据，直到采集过程结束。触发电路坏掉的示波器仍然可以工作，只是此时看到的波形在屏幕上来回 “晃动”，或者说在屏幕上闪烁，这其实相当于将触发模式设置为“Auto”状态并把触发电平设置得超过信号的最大或最小幅值。没有触发电路，这些采集的数 据不断地这样新老交替，在屏幕上视觉上感觉波形在来回“晃动”。如图一所示。

图一 数字示波器的存储器是循环缓存

Auto Setup是自动触发设置，示波器根据被测信号的特点自动设置示波器的水平时基，垂直灵敏，偏置和触发条件，使得波形能显示在示波器上。如果不理解触发的 概念，通过Auto Setup的设置就开始观察，测量的结果，甚至得出的结论都是不对的。

所谓触发，专业的解释是：按照需求设置一定 的触发条件，当波形流中的某一个波形满足这一条件时，示波器即实时捕获该波形和其相邻部分，并显示在屏 幕上。触发条件的唯一性是精确捕获的首要条件。为了观察特定波形之前发生的更多事件，把触发点往显示窗口右方推移一段时间，即是延迟触发；为了了解特定波 形之后发生的更多事件，把触发点往显示窗口左方推移一段时间，即是超前触发。如图二所示。在数字示波器中，触发点可以位于采集存储的记录的任何位置。如图 一的右边图形，触发点停留在采集存储的中间时刻。

图二 触发的原理示意图

为了更形象地理解触发，我们可以理解为：所谓触发，就是“在此刻停留”，或者说是“等待那一刻”。触发电路可以理解为有一双眼睛在注视在她面前走过的每一 个人（信号流），当她看到她的意中人（触发条件）时，她的眼睛凝视这个人，让意中人停留在她注视的位置(触发点)。但她会继续寻找她的下一个意中人。 每次找到了意中人，她都会让意中人在她注视的位置（触发点）停留。因此，她的眼睛注视点(触发点)的位置只停留那些意中人（满足条件的波形）。

第 四讲 示波器基础之触发功能（下）

上网时间：2009-12-23   作者：汪进进   来源：美国力科公司深圳代表处

中心议 题：

• 示波器的触发方式

解决方案：  

• 触发的功能：隔离感兴趣的事件、同步/稳定显示波形
• 最 简单常用边沿触发
• DDR测试常用条件触发

示波器的触发功能主要有两点：
第一，隔离感兴趣的事件。
第二，同步波形，或者说稳定显示波形。
隔离感兴趣的事件，就是在触发点处隔离的事件是满足触发条件的信号。如下图所示，在触发点隔离的事件是总小于47.5ns或大于52ns的脉宽，该脉宽的 计算是以触发电平穿越触发点处的脉宽波形的交叉点处的时间间隔。
 

图一 触发的首要功能是隔离感兴趣的事件

同步波形，就是找到一种触发方式使波形不再“晃动”，也就是找出信号的规律性来同步信 号。如图二所示的信号，每组数据包里有四个脉冲，这四个脉冲并不是等时间间隔的，如果用上升沿触发，则波形不能同步，视觉上在“晃动”。但是每组数据包是 等时间间隔到来的，如果以每组数据包的第一个脉冲的上升沿作为触发源，则能稳定显示波形。因此可以用边沿延迟触发，在前一个上升沿到来之后，延迟一段时间 再触发下一个上升沿，在上例中需要延迟的时间为标识的蓝色的时间间隔部分。

图二 同步信号使波形能稳定显示

下面我们来逐一解释各种触发方式。

边沿触发（Edge）：
是最常用最简单最有效的触发方式，绝大多数的应用都只是用边沿触发来触发波形。边沿触发仅是侦测信号的边沿、极性和电平。当被测信号的 电平变化方向与设定相同(上升沿或下降沿)，其值变化到与触发电平相同时，示波器被触发，并捕捉波形。如图三所示，在触发点停留的总是上升沿。上升沿在上 升的过程中如果能达到触发电平的高度就被触发，否则在Normal模式下示波器上的波形静止不动，示意波器的右下角提示“waiting for triggering”
 

图三 边沿触发

由边沿触发引申的是 边沿延迟触发（holdoff）， 前面在解释示波器触发的第二个功能时有提到。每次触发到前一个边沿之后，等待设定的延迟时间或延迟事件再触发下一个满足条件的边沿，最长可延迟20s或 9,999,999个事件。事件是相对于触发电平而言，在图二的例子中触发电平在图示位置，需要延迟3个事件；如果触发电平超过矮脉冲的高度，则延迟两个 事件。图三是一个实际的测试案例，包络是一系列频率和幅值变化的正弦波信号，客户需要知道频率的最大值和最小值。如果不能稳定触发，则每次通过停止波形然 后调节测量参数的门限来统计多次测量的最大最小值，非常繁琐。但用边沿延迟触发方式同步该波形，测量的门限固定在一个范围内，可以方便的利用统计功能测量 出持续捕获到的包络的频率最大值和最小值。
 

图四 边沿延迟触发
 

宽度和毛刺触发：
根据信号宽度值/毛刺值触发，可选正向或负向宽度/毛刺,用于捕捉信号中的罕见宽度/毛刺信号。图五的触发设置含义是，当C2的脉冲在触发电平处的正脉宽 在90ns和120ns之间时被隔离，触发点停留的位置是脉冲的下降沿。 如果触发的是负脉宽，则触发点停留的位置是脉冲的上升沿。脉宽的范围定义可以是小于、大于、在范围内或范围外。毛刺触发和宽度触发类似。

图五 宽度/毛刺触发

宽度/毛刺触发在实际测试中应用很多。图六的例子中，客户希望稳定显示该波形，能持续测 量虚线范围内的信号的眼图，因此，可以用正宽度触发，但触发电平不得高于连续信号的最低值的位置。
 

图六 宽度触发应用
 

间隔触发：
根据相邻的同极性的沿的时间来触发,正到正或负到负。设定的条件也可以小于、大于、在范围内或范围外。图七的触发设置含义是：当穿越触 发电平的相邻正沿之间的时间间隔在1.5us到2.5us之间时被触发。 图中一定要将触发电平设置为超过欠幅的矮脉冲，否则条件永远不会满足。
 

图七 间隔触发

条件触发：
条件触发是两个通道之间的关联触发。 当第二个波形设定条件满足一次后，在第一个波形边沿处触发。图八的触发设置含义是：在C2的上升沿达到触发电平200mV时，触发C2的上升沿但前提是在 这之前C3的电平曾超过了500mV。
 

图八 条件触发

条件触发常被应用在DDR测试中。如图九，为了看data信号C1的眼图，设置为触发 C3的DQS信号，但前提是要等C4的TriggerPin信号达到一定的电平。
 

图九 条件触发的应用
 

状态触发：
状态触发和条件触发类似。当第二个波形设定条件满足并保持该状态后，在第一个波形边沿处触发。它要求第二个波形达到某个条件之后保持该状态。图十的触发设 置含义是：在C3的上升沿达到触发电平500mV时，触发C2的上升沿但前提是在这之前C2的电平超过了500mV并一直保持超过500mV的状态，而且 要等到C2的上升沿有3次达到触发电平之后才触发。
 

图十 状态触发
 

逻辑触发：
各通道信号分别同时满足所设定逻辑电平条件及所选择的逻辑关系后触发。可选逻辑条件:
与 (And)，非与 (Nand)，或 (Or)，非或 (Nor)。图十一的触发设置含义是：C1的电平低于775mV,C2的电平高于500mV,C3的电平低于500mV，C4的电平高于350mV，它们 同时满足这个条件时触发。
 

图十一 逻辑触发
 

漏失触发：
当信号最后的边沿消失了设定的时间后触发。图十二的触发设置含义是：在C2的最后一个上升沿消失之后等待750ns被触发。

图十二 漏失触发
 

欠幅触发：
当脉冲序列的宽度不确定，大多数脉冲信号的幅值相同，但有小概率的欠幅信号时所需要采取的一种触发方式。当脉冲穿越了第一个门限电平，但在一定的时间范围 内不能穿越另外一个门限电平时被触发。如图十三所示。
 

图十三 欠幅触发
 

TV触发：
专门为电视信号而设计的一种触发方式，在该模式下触发电平控制不起作用。示波器使用视频信号中同步脉冲作为触发信号。TV触发有两种模式，TVF 场和TVL行。

此外，还有斜率触发和各种串行数据的触发，如I2C触发，SPI触发，CANBus触发等，不再一一讨论。