示波器的基本测量范例

示波器是电子工程师最常见的仪器，很多人也把示波器比作工程师的“眼睛”，这也足以说明示波器对工程师有多重要。

信号是如何显示到示波器屏幕上的呢？在示波器上，信号传输经过探头内部的一系列电阻器和电容器。然后进入示波器，信号进入示波器并经过模拟输入信号调制模块。根据信号的大小，它会被相应地放大或缩小，从而达到模数转换器（ADC）的动态范围之内。模拟信号在 ADC 模块中被转换为数字数据（1 和 0）。同时，触发模块将信号与指定的触发条件进行比较。触发条件告知时基模块何时捕获数字数据并将其保存到循环采集存储器中。数字信号处理模块（DSP）对数字数据展开分析，然后将其重新构成波形并显示在屏幕上。

对于所有的示波器来讲，信号显示到示波器上之后，下一步就是进行相应的测量。示波器现在具备极其丰富内置测量功能，工程师能迅速分析波形的幅度和时间参数。这些基本测量的范例包括：

1、测量模拟信号

使用示波器（Oscilloscope）可以测量模拟信号的多个重要指标。以下是一些常见的示波器可以测量的信号特征：

振幅（Amplitude）： 表示信号的峰值大小。示波器可以直观地显示信号的振幅。

频率（Frequency）： 表示信号的周期性。通过测量信号的周期或脉冲宽度，可以确定信号的频率。

周期（Period）： 表示信号一个完整周期的时间。

相位（Phase）： 表示信号波形相对于参考信号的偏移量。相位通常以角度或时间延迟的形式表示。

峰峰值（Peak-to-Peak Value）： 表示信号峰值与谷值之间的差异。

均方根值（RMS Value）： 表示信号有效值，即等效于信号的直流值。

谐波分析： 示波器可以帮助分析信号的谐波成分，显示信号中的基波和各阶谐波。

相位差（Phase Difference）： 用于测量两个信号之间的相对相位。

波形形状分析： 示波器可以帮助分析信号的波形形状，检测是否存在畸变或不同寻常的波形。

增益（Gain）： 示波器可以帮助你测量放大电路的电压增益。通过比较输入信号和输出信号的振幅，你可以计算出电压增益。

频率响应（Frequency Response）： 示波器可以用来观察放大电路在不同频率下的响应。通过改变输入信号的频率并观察输出，你可以了解放大电路的带宽和频率特性。

相位响应（Phase Response）： 示波器可以帮助你测量放大电路的相位响应。这对于理解信号在电路中的时间延迟非常重要。

失真分析： 示波器可以用于检测信号失真，例如畸变、剪切和交叉失真。这对于确定放大电路的线性性能和准确性很有帮助。

截止频率（Cutoff Frequency）： 通过改变输入信号的频率，你可以使用示波器来观察放大电路在截止频率附近的行为。这对于滤波放大电路特别重要。

稳定性分析： 示波器可以帮助你观察电路的稳定性，特别是对于反馈电路。你可以检查输出是否稳定，避免不稳定引起的振荡或过冲。

噪声分析： 示波器可以用于检测放大电路中的噪声。这对于高灵敏度应用和低噪声电路设计非常重要。

过载检测： 示波器可以用于观察放大电路是否在输入信号较大时发生过载。这对于确保电路能够处理各种输入幅度的信号很有帮助。

摆率： 通过观察输出信号的最快的上升时间和最快的下降时间，你可以评估电路的快速响应性能。

2、测量数字信号（本段转载自《信号完整性》公众号）

上升时间：上升时间是上限阈值上的时间减去您正在测量的边缘的下阈值上的时间。下降时间相似，即下阈值上的时间减去您正在测量的边缘的上限阈值上的时间。

脉宽：脉宽是从第一个上升沿的中间阈值到下一个下降沿的中间阈值的时间。

幅度和其它电压测量：这是波形显示幅度的测量。通常您也可测量峰峰值电压、最大电压、最低电压以及平均电压。

周期/频率：周期定义为中间阈值两次连续交叉点电压之间的时间。频率定义为1/周期。

建立和保持时间:建立时间就是时钟触到来之前，数据需要保持稳定的最小时间。保持时间就是时钟触发事件到来之后，数据需要保持稳定的最小时间。

，

眼图：所谓眼图简单地说就是把一连串接收端接收到的脉冲信号(000,001,010,011, 100, 101,110,111)同时叠加在高速示波器上以形成眼图。如果加上眼图模板，就能快速地评估信号是否能满足总线要求或系统要求。

示波器上还有许多其它测量，比如占空比、偏移、噪声、抖动等等参数。这里仅是提供给一些基本的测量概念。

传统来讲，示波器测量的参数都是时域的，而随着技术的发展，示波器也呈现多样化，有的示波器也可以测量频域的参数，尤其是在电源完整性和EMC分析时，经常会把时域的信号转换为频域的曲线进行分析。观察是什么频段出现了问题，进而“对症下药”解决问题。

3、电源测试

纹波与噪声测试

开关电源的纹波是指，叠加在开关电源输出电压上，频率与开关频率一致的交流量，其产生原因是开关电源的电流纹波作用在电容的ESR上。而噪声一般是指全带宽下输出电压上叠加的交流量。

测量纹波、噪声，需要使用隔直板+同轴电缆，而隔直板上的电容容量需要根据开关频率进行确定。

纹波测量：用同轴电缆从电源模块上引出输出，接到隔直板上，然后再通过同轴电缆接入示波器。示波器阻抗选择50欧姆，AC耦合，带宽限制在20MHz，然后进行测量与读数。测出的波形一般近似于三角波。

噪声测量：将示波器的带宽限制取消，其余配置相同，然后进行测量与读数。

我们在测试纹波的时候，希望能够测试准确，不希望其他频段的干扰引入导致测试数据异常。所以用同轴电缆或者探头测试纹波的时候，地线的处理都尤为关键，否则会通过地线引入不必要的噪声。

在图所示的示例中，测试者犯了两个错误。他的第一个错误是使用了一支带长接地引线的示波器探针；他的第二个错误是将探针形成的环路和接地引线均置于电源变压器和开关元件附近；他的最后一个错误是允许示波器探针和输出电容之间存在多余电感。该问题在纹波波形中表现为高频拾取。在电源中，存在大量可以很轻松地与探针耦合的高速、大信号电压和电流波形，其中包括耦合自电源变压器的磁场，耦合自开关节点的电场，以及由变压器互绕电容产生的共模电流。

DC/DC模块的电源纹波指标是一项很重要的参数。干净的电源是数字电路稳定工作的前提，也是模拟器件的各项参数的重要保障。为确定电源的质量，必须对DC/DC模块的输出纹波进行测量。但很多人测量得到的纹波值动辄上百mV，甚至几百mV，远远比器件手册提供的最大纹波值大，这主要是测量方法的不正确造成的。

正确的测量方法

1)限制示波器带宽为20MHz(大多中低端示波器档位限制在20MHz，高端产品还有200MHz带宽限制的选择)，目的是避免数字电路的高频噪声影响纹波测量，尽量保证测量的准确性。

2)设置耦合方式为交流耦合，方便测量(以更小档位来仔细观测纹波，不关心直流电平).

3)保证探头接地尽量短(测量纹波动辄上百mV的主要原因就是接地线太长)，尽量使用探头自带的原装测试短针。如果没有测试短针，可以拆除探头的接地线和外壳，露出探头地壳，自制接地线缠绕在探头地壳上，保证接地线长度小于1cm。

4)示波器地悬空，只通过探头地与测试信号的参考点共地，不要通过其他方式与测试设备共地，这样会给纹波测量引入很大的地噪声。例如：当示波器和其他仪器共插线板时，其他仪器的开关可能通过接地线给测试带来噪声干扰。

地线过长，导致测试结果明显不正确。

探头的GND和信号两个探测点的距离也非常重要，当两点相距较远，会有很多EMI噪声辐射到探头的信号回路中（如下图所示），示波器观察的波形包括了其他信号分量，导致错误的测试结果。所以要尽量减小探头的信号与地的探测点间距，减小环路面积。

在隔离电源中，会产生大量流经探针接地连接点的共模电流。这就在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成了压降，从而表现为纹波。要防止这一问题的出现，我们就需要特别注意电源设计的共模滤波。另外，将示波器引线缠绕在铁氧体磁心周围也有助于最小化这种电流。这样就形成了一个共模电感器，其在不影响差分电压测量的同时，还减少了共模电流引起的测量误差。下图显示了该完全相同电路的纹波电压，其使用了改进的测量方法。这样，高频峰值就被真正地消除了。

1.有条件的话使用隔直板+同轴电缆的配置，同轴电缆能很好的抑制空间中的辐射。

2.单纯使用示波器测量的话，地线夹要尽可能短，并绕在探针上，即成环最小；有条件的话，将示波器引线缠绕在铁氧体磁芯上。

3.最好直接测量电源模块的输出引脚。

使用同轴电缆

电源纹波应该采用同轴电缆测试

同轴电缆测试的结果较为准确，且受到人为因素的影响较小（焊接在单板上结果较稳定）；缺点为测试需要焊接，若测试点较多，耗费时间较长，若操作不甚，还有可能会损坏单板。

同轴电缆测试工作原理图如下：

测试点选择

焊接位置选取靠近被测对象的滤波电容处（即离芯片管脚最近，条件允许的情况下，优先选取背面的电容进行测试，靠近芯片管脚是为了更真实的测到负载的情况），如有空焊盘亦可选取

测试时，测试点尽量选取小电容作为测试点；现在所用电容，特别是BGA的去耦电容，封装都比较小，一般为0201。为方便测试，可在电缆上焊接不大于0.5cm的漆包线，地线可以选择最近的地 。

若被测对象同一网络电源管脚较分散，一般尽量选取靠近负载且离电源源端较远的点，如果同一网络分散在芯片周围，应至少选取两个离电源源端较远的点进行测试。

示波器的设置

测试项解读：

测试项 MAX：当前屏幕波形中的最大值。

测试项 MIN：当前屏幕波形中的最小值。

测试项 PK-PK：当前屏幕波形中的峰峰值。

图中每一个测试项有五个值，第一个值为当前屏幕的值，第二个值μ为RUN到STOP的统计平均值，第三个值m为RUN到STOP的统计最小值，第四个值M为RUN到STOP的统计最大值，第五个值σ为标准差，上面Acqs为统计次数。

纹波读取MAX,MIN,PK-PK的值（MAX PK-PK记录最大值，MIN记录最小值）。

上图中噪声的PK-PK值为32mv，MAX值为16mv，MIN值为-18.4mv。

电源环路测试

现实中反馈环路往往起到了稳定电路静态工作点的作用，所以我们不能简单的把环路断开去测环路增益。反馈环断开后，电路因为输入失调等原因，输出会直接饱和，这种情况下无法进行任何有意义的测量。

为了克服这个问题，我们必须在闭环的情况下进行测量，一种可行的手段是环路注入。下图展示了典型的环路注入方法。为了尽可能降低误差，我们对注入点的选取有特殊的要求，一般要让从注入点一端看进去的阻抗远远大于另一端看进去的阻抗，一个比较理想的注入点是输出和反馈网络之间，其他注入点如误差放大器和功率晶体管之间也是可行的。

为了维持闭环，我们在注入点的位置插入一个很小的电阻而不是把环路在注入点断开，注入信号将通过这个注入电阻注入到环路中去。这个注入电阻的取值要足够的小，通常要远远小于反馈网络的等效阻抗，这样才能保证注入电阻对反馈环路的影响可以忽略不计。Picotest建议当使用J2100A 型变压器或直接使用 Siglent SAG1021I 时，使用 4.99Ω的注入电阻，当然适当大一点的注入电阻也是可以的。另外一方面，因为注入电阻和注入变压器并联，小一点的注入电阻能降低变压器工作的下限频率，这在需要测量极低频率的时候非常有用。原则上信号的注入不能影响环路的静态工作点，为了解决现实的电路中信号源和被测件共地的问题，往往需要使用注入变压器。或者直接使用带隔离的信号源。

测试结果分析

1、1A 负载：0增益，穿越频率在1.4k左右，相位裕度为99°左右，电源系统稳定。

2、5A 负载：0增益，穿越频率在12.6k左右，相位裕度为113°左右，电源系统稳定。

审核编辑：汤梓红