示波器是電子工程師最常見的儀器，很多人也把示波器比作工程師的“眼睛”，這也足以說明示波器對工程師有多重要。

信號是如何顯示到示波器屏幕上的呢？在示波器上，信號傳輸經(jīng)過探頭內(nèi)部的一系列電阻器和電容器。然后進入示波器，信號進入示波器并經(jīng)過模擬輸入信號調(diào)制模塊。根據(jù)信號的大小，它會被相應(yīng)地放大或縮小，從而達到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的動態(tài)范圍之內(nèi)。模擬信號在 ADC 模塊中被轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)（1 和 0）。同時，觸發(fā)模塊將信號與指定的觸發(fā)條件進行比較。觸發(fā)條件告知時基模塊何時捕獲數(shù)字數(shù)據(jù)并將其保存到循環(huán)采集存儲器中。數(shù)字信號處理模塊（DSP）對數(shù)字數(shù)據(jù)展開分析，然后將其重新構(gòu)成波形并顯示在屏幕上。

對于所有的示波器來講，信號顯示到示波器上之后，下一步就是進行相應(yīng)的測量。示波器現(xiàn)在具備極其豐富內(nèi)置測量功能，工程師能迅速分析波形的幅度和時間參數(shù)。這些基本測量的范例包括：

1、測量模擬信號

使用示波器（Oscilloscope）可以測量模擬信號的多個重要指標。以下是一些常見的示波器可以測量的信號特征：

振幅（Amplitude）： 表示信號的峰值大小。示波器可以直觀地顯示信號的振幅。

頻率（Frequency）： 表示信號的周期性。通過測量信號的周期或脈沖寬度，可以確定信號的頻率。

周期（Period）： 表示信號一個完整周期的時間。

相位（Phase）： 表示信號波形相對于參考信號的偏移量。相位通常以角度或時間延遲的形式表示。

峰峰值（Peak-to-Peak Value）： 表示信號峰值與谷值之間的差異。

均方根值（RMS Value）： 表示信號有效值，即等效于信號的直流值。

諧波分析： 示波器可以幫助分析信號的諧波成分，顯示信號中的基波和各階諧波。

相位差（Phase Difference）： 用于測量兩個信號之間的相對相位。

波形形狀分析： 示波器可以幫助分析信號的波形形狀，檢測是否存在畸變或不同尋常的波形。

增益（Gain）： 示波器可以幫助你測量放大電路的電壓增益。通過比較輸入信號和輸出信號的振幅，你可以計算出電壓增益。

頻率響應(yīng)（Frequency Response）： 示波器可以用來觀察放大電路在不同頻率下的響應(yīng)。通過改變輸入信號的頻率并觀察輸出，你可以了解放大電路的帶寬和頻率特性。

相位響應(yīng)（Phase Response）： 示波器可以幫助你測量放大電路的相位響應(yīng)。這對于理解信號在電路中的時間延遲非常重要。

失真分析： 示波器可以用于檢測信號失真，例如畸變、剪切和交叉失真。這對于確定放大電路的線性性能和準確性很有幫助。

截止頻率（Cutoff Frequency）： 通過改變輸入信號的頻率，你可以使用示波器來觀察放大電路在截止頻率附近的行為。這對于濾波放大電路特別重要。

穩(wěn)定性分析： 示波器可以幫助你觀察電路的穩(wěn)定性，特別是對于反饋電路。你可以檢查輸出是否穩(wěn)定，避免不穩(wěn)定引起的振蕩或過沖。

噪聲分析： 示波器可以用于檢測放大電路中的噪聲。這對于高靈敏度應(yīng)用和低噪聲電路設(shè)計非常重要。

過載檢測： 示波器可以用于觀察放大電路是否在輸入信號較大時發(fā)生過載。這對于確保電路能夠處理各種輸入幅度的信號很有幫助。

擺率： 通過觀察輸出信號的最快的上升時間和最快的下降時間，你可以評估電路的快速響應(yīng)性能。

2、測量數(shù)字信號（本段轉(zhuǎn)載自《信號完整性》公眾號）

上升時間：上升時間是上限閾值上的時間減去您正在測量的邊緣的下閾值上的時間。下降時間相似，即下閾值上的時間減去您正在測量的邊緣的上限閾值上的時間。

脈寬：脈寬是從第一個上升沿的中間閾值到下一個下降沿的中間閾值的時間。

幅度和其它電壓測量：這是波形顯示幅度的測量。通常您也可測量峰峰值電壓、最大電壓、最低電壓以及平均電壓。

周期/頻率：周期定義為中間閾值兩次連續(xù)交叉點電壓之間的時間。頻率定義為1/周期。

建立和保持時間:建立時間就是時鐘觸到來之前，數(shù)據(jù)需要保持穩(wěn)定的最小時間。保持時間就是時鐘觸發(fā)事件到來之后，數(shù)據(jù)需要保持穩(wěn)定的最小時間。

，

眼圖：所謂眼圖簡單地說就是把一連串接收端接收到的脈沖信號(000,001,010,011, 100, 101,110,111)同時疊加在高速示波器上以形成眼圖。如果加上眼圖模板，就能快速地評估信號是否能滿足總線要求或系統(tǒng)要求。

示波器上還有許多其它測量，比如占空比、偏移、噪聲、抖動等等參數(shù)。這里僅是提供給一些基本的測量概念。

傳統(tǒng)來講，示波器測量的參數(shù)都是時域的，而隨著技術(shù)的發(fā)展，示波器也呈現(xiàn)多樣化，有的示波器也可以測量頻域的參數(shù)，尤其是在電源完整性和EMC分析時，經(jīng)常會把時域的信號轉(zhuǎn)換為頻域的曲線進行分析。觀察是什么頻段出現(xiàn)了問題，進而“對癥下藥”解決問題。

3、電源測試

紋波與噪聲測試

開關(guān)電源的紋波是指，疊加在開關(guān)電源輸出電壓上，頻率與開關(guān)頻率一致的交流量，其產(chǎn)生原因是開關(guān)電源的電流紋波作用在電容的ESR上。而噪聲一般是指全帶寬下輸出電壓上疊加的交流量。

測量紋波、噪聲，需要使用隔直板+同軸電纜，而隔直板上的電容容量需要根據(jù)開關(guān)頻率進行確定。

紋波測量：用同軸電纜從電源模塊上引出輸出，接到隔直板上，然后再通過同軸電纜接入示波器。示波器阻抗選擇50歐姆，AC耦合，帶寬限制在20MHz，然后進行測量與讀數(shù)。測出的波形一般近似于三角波。

噪聲測量：將示波器的帶寬限制取消，其余配置相同，然后進行測量與讀數(shù)。

我們在測試紋波的時候，希望能夠測試準確，不希望其他頻段的干擾引入導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)異常。所以用同軸電纜或者探頭測試紋波的時候，地線的處理都尤為關(guān)鍵，否則會通過地線引入不必要的噪聲。

在圖所示的示例中，測試者犯了兩個錯誤。他的第一個錯誤是使用了一支帶長接地引線的示波器探針；他的第二個錯誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線均置于電源變壓器和開關(guān)元件附近；他的最后一個錯誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問題在紋波波形中表現(xiàn)為高頻拾取。在電源中，存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號電壓和電流波形，其中包括耦合自電源變壓器的磁場，耦合自開關(guān)節(jié)點的電場，以及由變壓器互繞電容產(chǎn)生的共模電流。

DC/DC模塊的電源紋波指標是一項很重要的參數(shù)。干凈的電源是數(shù)字電路穩(wěn)定工作的前提，也是模擬器件的各項參數(shù)的重要保障。為確定電源的質(zhì)量，必須對DC/DC模塊的輸出紋波進行測量。但很多人測量得到的紋波值動輒上百mV，甚至幾百mV，遠遠比器件手冊提供的最大紋波值大，這主要是測量方法的不正確造成的。

正確的測量方法

1)限制示波器帶寬為20MHz(大多中低端示波器檔位限制在20MHz，高端產(chǎn)品還有200MHz帶寬限制的選擇)，目的是避免數(shù)字電路的高頻噪聲影響紋波測量，盡量保證測量的準確性。

2)設(shè)置耦合方式為交流耦合，方便測量(以更小檔位來仔細觀測紋波，不關(guān)心直流電平).

3)保證探頭接地盡量短(測量紋波動輒上百mV的主要原因就是接地線太長)，盡量使用探頭自帶的原裝測試短針。如果沒有測試短針，可以拆除探頭的接地線和外殼，露出探頭地殼，自制接地線纏繞在探頭地殼上，保證接地線長度小于1cm。

4)示波器地懸空，只通過探頭地與測試信號的參考點共地，不要通過其他方式與測試設(shè)備共地，這樣會給紋波測量引入很大的地噪聲。例如：當(dāng)示波器和其他儀器共插線板時，其他儀器的開關(guān)可能通過接地線給測試帶來噪聲干擾。

地線過長，導(dǎo)致測試結(jié)果明顯不正確。

探頭的GND和信號兩個探測點的距離也非常重要，當(dāng)兩點相距較遠，會有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號回路中（如下圖所示），示波器觀察的波形包括了其他信號分量，導(dǎo)致錯誤的測試結(jié)果。所以要盡量減小探頭的信號與地的探測點間距，減小環(huán)路面積。

在隔離電源中，會產(chǎn)生大量流經(jīng)探針接地連接點的共模電流。這就在電源接地連接點和示波器接地連接點之間形成了壓降，從而表現(xiàn)為紋波。要防止這一問題的出現(xiàn)，我們就需要特別注意電源設(shè)計的共模濾波。另外，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于最小化這種電流。這樣就形成了一個共模電感器，其在不影響差分電壓測量的同時，還減少了共模電流引起的測量誤差。下圖顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進的測量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。

1.有條件的話使用隔直板+同軸電纜的配置，同軸電纜能很好的抑制空間中的輻射。

2.單純使用示波器測量的話，地線夾要盡可能短，并繞在探針上，即成環(huán)最??；有條件的話，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁芯上。

3.最好直接測量電源模塊的輸出引腳。

使用同軸電纜

電源紋波應(yīng)該采用同軸電纜測試

同軸電纜測試的結(jié)果較為準確，且受到人為因素的影響較?。ê附釉趩伟迳辖Y(jié)果較穩(wěn)定）；缺點為測試需要焊接，若測試點較多，耗費時間較長，若操作不甚，還有可能會損壞單板。

同軸電纜測試工作原理圖如下：

測試點選擇

焊接位置選取靠近被測對象的濾波電容處（即離芯片管腳最近，條件允許的情況下，優(yōu)先選取背面的電容進行測試，靠近芯片管腳是為了更真實的測到負載的情況），如有空焊盤亦可選取

測試時，測試點盡量選取小電容作為測試點；現(xiàn)在所用電容，特別是BGA的去耦電容，封裝都比較小，一般為0201。為方便測試，可在電纜上焊接不大于0.5cm的漆包線，地線可以選擇最近的地 。

若被測對象同一網(wǎng)絡(luò)電源管腳較分散，一般盡量選取靠近負載且離電源源端較遠的點，如果同一網(wǎng)絡(luò)分散在芯片周圍，應(yīng)至少選取兩個離電源源端較遠的點進行測試。

示波器的設(shè)置

測試項解讀：

測試項 MAX：當(dāng)前屏幕波形中的最大值。

測試項 MIN：當(dāng)前屏幕波形中的最小值。

測試項 PK-PK：當(dāng)前屏幕波形中的峰峰值。

圖中每一個測試項有五個值，第一個值為當(dāng)前屏幕的值，第二個值μ為RUN到STOP的統(tǒng)計平均值，第三個值m為RUN到STOP的統(tǒng)計最小值，第四個值M為RUN到STOP的統(tǒng)計最大值，第五個值σ為標準差，上面Acqs為統(tǒng)計次數(shù)。

紋波讀取MAX,MIN,PK-PK的值（MAX PK-PK記錄最大值，MIN記錄最小值）。

上圖中噪聲的PK-PK值為32mv，MAX值為16mv，MIN值為-18.4mv。

電源環(huán)路測試

現(xiàn)實中反饋環(huán)路往往起到了穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點的作用，所以我們不能簡單的把環(huán)路斷開去測環(huán)路增益。反饋環(huán)斷開后，電路因為輸入失調(diào)等原因，輸出會直接飽和，這種情況下無法進行任何有意義的測量。

為了克服這個問題，我們必須在閉環(huán)的情況下進行測量，一種可行的手段是環(huán)路注入。下圖展示了典型的環(huán)路注入方法。為了盡可能降低誤差，我們對注入點的選取有特殊的要求，一般要讓從注入點一端看進去的阻抗遠遠大于另一端看進去的阻抗，一個比較理想的注入點是輸出和反饋網(wǎng)絡(luò)之間，其他注入點如誤差放大器和功率晶體管之間也是可行的。

為了維持閉環(huán)，我們在注入點的位置插入一個很小的電阻而不是把環(huán)路在注入點斷開，注入信號將通過這個注入電阻注入到環(huán)路中去。這個注入電阻的取值要足夠的小，通常要遠遠小于反饋網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗，這樣才能保證注入電阻對反饋環(huán)路的影響可以忽略不計。Picotest建議當(dāng)使用J2100A 型變壓器或直接使用 Siglent SAG1021I 時，使用 4.99Ω的注入電阻，當(dāng)然適當(dāng)大一點的注入電阻也是可以的。另外一方面，因為注入電阻和注入變壓器并聯(lián)，小一點的注入電阻能降低變壓器工作的下限頻率，這在需要測量極低頻率的時候非常有用。原則上信號的注入不能影響環(huán)路的靜態(tài)工作點，為了解決現(xiàn)實的電路中信號源和被測件共地的問題，往往需要使用注入變壓器?；蛘咧苯邮褂脦Ц綦x的信號源。

測試結(jié)果分析

1、1A 負載：0增益，穿越頻率在1.4k左右，相位裕度為99°左右，電源系統(tǒng)穩(wěn)定。

2、5A 負載：0增益，穿越頻率在12.6k左右，相位裕度為113°左右，電源系統(tǒng)穩(wěn)定。

審核編輯：湯梓紅