测试测量关键基础之示波器（二）

　　在电源中有许多很容易耦合到探针中的高速的、大电压和电流信号波形，其中包括来自功率变压器的磁场耦合、来自开关节点的电场耦合、以及由变压器交绕（interwinding）电容产生的共模电流。

　　图1：不当的纹波测量得到糟糕的结果。

　　采用正确的测量技术可切实改善纹波测量的结果。首先，通常会规定纹波的带宽上限，以避免拾取超出纹波带宽上限的高频噪声，应该给用于测量的示波器设定合适的带宽上限。其次，可以通过摘掉探针的“帽子”来去掉接地长引线形成的天线。如图2所示，我们把一段短线绕在探针接地引线周围，并使之与电源地相连接。这样做附带的好处是缩短暴露在电源附近高强度电磁辐射中的探针长度，从而进一步减少高频拾取。

　　最后，在隔离电源中，真正的共模电流是由在探针接地引线中流动的电流产生的，这就使得在电源地和示波器地之间产生电压降，表现为纹波。要抑制这个纹波，需要在电源设计中仔细考虑共模滤波问题。

　　此外，把把示波器引线绕在铁芯上可减小这个电流，因为这样会形成一个不影响差分电压测量、但可降低由共模电流产生的测量误差的共模电感。图2显示了采用改进测量技术对同一电路得到的纹波电压测量结果。可以看到，高频尖刺已几乎消除。

　　图2：四种简单改进极大地改善了测量结果。

　　事实上，当电源集成到系统中之后，电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其它部分之间几乎总会存在一定量的电感。电感可能是由导线或在印刷线路板上的蚀刻线形成的，而在芯片附近总会有作为电源负载的附加旁路电容，这两者形成低通滤波效应并进一步降低电源纹波和/或高频噪声。

　　举一个极端的例子，由电感量为15nH的长一英寸的短线和电容量10μF的旁路电容构成的滤波器，其截止频率为400kHz。该实例意味着能大幅减少高频噪声。该滤波器的截止频率比电源纹波频率低很多倍，可以切实降低纹波。聪明的工程师应该在测试过程中设法利用它。

　　二、示波器触发原理及有效使用方法

　　本文的目的在于帮助工程师了解触发的基本原理以及有效使用触发的策略。

　　什么是触发？

　　任何示波器的存储器都是有限的，因此所有示波器都必须使用触发。触发是示波器应该发现的用户感兴趣的事件。换句话说，它是用户想要在波形中寻找的东西。触发可以是一个事件（即波形中的问题），但不是所有的触发都是事件。触发实例包括边沿触发、毛刺信号触发和数字码型触发。

　　示波器必须使用触发的原因在于其存储器的容量有限。例如，Agilent 90000 系列示波器具有 20 亿采样的存储器深度。但是，即便拥有如此大容量的存储器，示波器仍需要一些事件来区分哪 20 亿个采样需要显示给用户。尽管 20 亿的采样听起来似乎非常庞大，但这仍不足以确保示波器存储器能够捕获到感兴趣的事件。

　　示波器的存储器可视为一个传送带。无论什么时候进行新的采样，采样都会存储到存储器中。存储器存满时，最旧的采样就会被删除，以便保存最新采样。当触发事件发生时，示波器就会捕获足够的采样，以将触发事件存储在存储器要求的位置（通常是在中间），然后将这些数据显示给用户。

　　重复采样模式与单次采样模式

　　过去，最常见的示波器运行模式是重复模式。这意味着一旦示波器触发并将数据显示给用户，它将立即开始搜索下一个触发事件。这就是示波器波形更新如此频繁的原因。

　　任何一款示波器要想进行触发并将数据显示给用户，都需要时间来重新准备触发。这个时间也称为“挂起时间”。在挂起时间内，示波器不能捕获任何波形。因此，挂起时间越短，错失的事件越少。例如，如果有一个毛刺信号恰巧在挂起时间内出现，那么它将不能在示波器的显示屏上显示。如果这个毛刺信号是一个罕见事件，则用户可能认为波形中没有毛刺信号，而事实上它却是存在的。因此，示波器的挂起时间越短，错失波形中重要事件的几率就越低。

　　表述此概念的另一种方法是“更新速率”，即每秒钟的波形数量。例如，Agilent 7000 系列示波器具有 100000 波形/秒的更新速率。

　　单次采样模式用于查找单一触发，而不会继续采集更多波形。因此，当用户想要查找某个事件，检查导致该事件的原因和事件发生后所出现的问题时，便可使用单次采样模式。这种模式对于分析不重复并且每次操作都会发生变化的波形尤其重要。

　　自动模式与触发模式

　　如果没有发生触发事件，将会出现什么情况呢？这一个非常好的问题。在这种情况下，屏幕上的波形将不会更新。这不是我们想要的情况，因为用户可能不知道如何改变触发来获得屏幕上的波形。例如，如果探头滑落，示波器将可能停止触发。不过，如果屏幕不能更新，信号丢失将很不明显。

　　为了解决这个问题，示波器拥有一个称为“自动（Auto）”触发的模式。在此模式下，如果在一段时间内无法找到触发，示波器将自动触发以更新屏幕。通常，示波器上有一些指示器（例如前面板上的 LED）来指示上一个触发是真实触发还是自动触发。这样，如果用户看到“自动（Auto）”指示器，他们就会知道所设置的触发没有发生。例如，如果用户设置的触发为毛刺信号，他们将会知道示波器没有检测出毛刺信号。

　　然而，当您回顾上一段的内容时就会发现，当自动触发发生时，它就意味着每次触发之后，示波器进行重新准备时具有挂起时间。为了完全避免这一时间，示波器应改为“触发（triggered）”模式。（这在某些示波器中称为“正常”模式）。在“触发（triggered）”模式中，除非发现触发事件，否则示波器将不会进行触发。因此，如果用户将触发模式设置为毛刺信号并且示波器一直没有进行触发，那么用户就可以确信毛刺信号没有发生（至少示波器能够检测出）。

　　三、示波器死区时间和波形捕获率对测量结果的影响

　　发展到今天，传统的模拟示波器已经渐渐淡出了人们的视野，数字示波器几乎已经取代模拟示波器成为硬件工程师手中电路调试的最常用的一种仪器设备了。你是否觉得示波器提供给了被测信号的所有信息呢？事实上，示波器在大部分时间都处在一个无法检测信号的无信号状态，通常把这段丢失信号的时间称为死区时间。

　　什么是死区时间

　　要想了解死区时间的来源，需要先对数字示波器的结构有一个基本的了解。数字示波器的典型组成框图如图1、图2所示。

　　图1：传统数字示波器组成框图。

　　图2：R&S公司RTO系列示波器组成框图。

　　被测信号通过输入通道进入示波器，并通过垂直系统中的衰减器和放大器加以调节。模数转换器（ADC）按照固定的时间间隔对信号进行采样，并将各个信号振幅转换成离散的数字值，称为“样本点”。采集模块随后则执行处理功能，例如样本抽取，默认一般都为采样模式。输出数据作为样本点（samples）存储在采集存储器中。存储的样点数目用户可以通过记录长度进行设置。