作者/ 何進松1 蔡光躍1 鄒錚2 1.上海電子信息職業技術學院通信與信息工程系(上海201411) 2.固緯電子(蘇州)有限公司 (江蘇 蘇州 215011)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/340859.htm摘要：本文介紹了數字存儲示波器及其帶寬和採樣率方面的知識，分析了數字存儲示波器對靜電放電試驗中上升時間測量的影響，提出了具體的解決方法，對其它領域快速單次信號的測量有一定的指導意義。
引言
在數字存儲示波器(DSO，Digital Storage Oscilloscope)還未大規模上市之前，靜電放電電流及衝擊電壓的測量都採用功能比較複雜的模擬示波器來顯示波形，再通過拍照來保存和分析波形。因而測量過程複雜、測量周期長、波形獲得困難、測量結果的準確度較低。現代數字存儲示波器，尤其是第三代示波器的推出使這些測量變得簡單、快捷且準確，強大而豐富的觸發功能使波形的攫取不再成為測量的難題，高速的採樣率使測量的上升時間由納秒級進入到亞皮秒級，甚至更快，強大的波形捕獲率能提供更為詳細的波形細節，豐富的測量功能可以同時得到被測信號的多種參數，大容量的記錄長度、硬體拷貝功能以及遠程電腦控制功能使測量結果的存儲、分析等工作變得非常簡單和直觀。
第二代示波器即普通的DSO，內部的信號處理流程總體上講是串行處理方式。輸入信號要通過採樣、量化、多路分解、存儲和微處理器，最後通過顯示存儲器的處理送到顯示器上顯示波形。第三代示波器有別於第二代DSO，內部結構採用並行處理方式，所以有更快的波形處理能力和快速的波形捕獲率，兼有模擬示波器和普通DSO的優點。由於數字存儲示波器採用與模擬示波器完全不同的結構，最主要的是涉及採樣定理、採樣率等數位訊號處理方面的概念。在靜電放電試驗的標準中，IEC1000-4-2標準確定的靜電放電的上升時間tr為0.7ns至1ns，這相當於一個頻率達350MHz至500MHz的高頻信號。要準確測量如此高速上升的波形，要必須認真考慮示波器及其附件的選用。本文結合國際通行的靜電放電(ESD，Electro-Static Discharge)模型，簡要討論了ESD試驗中如何正確選用示波器及其附件。
1 示波器的帶寬與採樣率
按照示波器的發展歷程，可將示波器大致劃分為以下幾類：第一代示波器，即模擬示波器，在數字存儲示波器上市之前，是市場通用的觀察波形的首選儀器;第二代示波器，即數字存儲示波器，發展迅速，目前獲得超過80%的使用者的青睞，將逐漸取代模擬示波器;第三代示波器也是數字存儲示波器，它結合了前兩代的優點，克服了兩者的缺點，突出的優勢在於可以通過幅度、時間和波形強度三維地觀測信號;第三代示波器的核心並行處理技術目前只屬於少數幾家廠商，臺灣固緯(GWINSTEK)公司的VPO(Visual Persistence Oscillosco)和美國泰克(Tektronix)公司的數字螢光示波器(DPO，Digital Phosphor Oscilloscope)、安捷倫(Agilent)公司的Infiniium等都屬第三代示波器的典型;第四代示波器即取樣示波器，它的特點在於測量重複頻率較高的信號而且是非實時採樣。以臺灣固緯的第三代示波器VPO為例，它的特點已經集成了模擬示波器的餘輝功能和數字存儲示波器的實時採樣功能。
模擬示波器直接利用被測信號來控制電子束的偏轉，從而在螢光屏上擊打出與信號變化相對應的波形，因此，模擬示波器能最真實地再現信號波形。然而，模擬示波器的缺點也是很明顯的：精度低，測量能力弱;帶寬受硬體限制不可能很高;觸發功能薄弱，無預觸發觀測能力;顯示閃爍並容易模糊。在慢掃描時具有嚴重的閃爍現象，薄弱的觸發功能使其很難捕捉到單個脈衝信號，即使偶爾獲得一個波形也只是從觸發點之後的不完整波形，無法觀測觸發點之前的波形，因此，在慢波、衝擊電壓和靜電放電電流測量中已基本被數字存儲示波器所取代，尤其在ESD測試中，已經全面採用第三代示波器。
模擬示波器的帶寬基本上取決於從信號輸入端至偏轉電極(或偏轉線圈)之間硬體電路的頻率特性，而數字存儲示波器在帶寬方面要複雜得多。同模擬示波器一樣，無論哪一代數字存儲示波器所能測量的信號最高頻率都取決於包括測量探頭在內的信號通道的模擬特性。數字存儲示波器的帶寬不是所能測試信號的最高頻率，其定義為：輸入的正弦信號衰減至真實幅值的70.7%(-3dB)的頻率點。如圖1。如果錯誤的理解為最高頻率即為帶寬，很容易導致示波器選用上的錯誤。
採樣是將輸入信號轉化為離散值的過程，以便於存儲，處理及顯示。採樣點的幅值等同於採樣時刻輸入信號的幅值。採樣相當於對波形拍快照，每次只拍波形上某一時刻的特定點，然後將這些照片按照一定的順序排列就能復原波形。採樣按照原理的不同分為實時採樣和等效採樣。實時採樣就是在一次觸發後，對輸入信號進行足夠多的採樣來確定單次信號的波形(見圖2a)，它既適用於周期信號，也適用於非周期信號。等效採樣技術則只適用於周期信號的測量，它是依靠不同的觸發點對周期信號進行多次觸發，將每次觸發後的採樣點進行處理後重建原始波形。由於等效採樣「匯聚」了多次實時採樣的點，雖然每次採樣的實時採樣率比較低，但等效採樣率可以達到很高(一般25GSa/s~100GSa/s)。等效採樣分為循序採樣和隨機採樣兩種，其基本原理參見圖2b和圖2c。
數字存儲示波器不可能獲得和模擬示波器一樣真實的波形，是靠採樣後得到的採樣點來重建波形。根據奈奎斯特(Nyquist)採樣定理：在進行模擬/數位訊號的轉換過程中，當採樣頻率大於或等於信號中最高頻率的2倍時，採樣之後的數位訊號完整地保留了原始信號中的信息。這就是說，要想重現信號波形，數字存儲示波器的最高採樣率至少兩倍於輸入信號的最高頻率。從理論上講，對正弦波每個周期採樣兩次來描述信號特徵是可行的，但實際上由於並不能保證每個採樣點都落在波峰波谷上，而且數字存儲示波器波形再現的結果與所採用的顯示恢復技術密切相關。目前採用的顯示恢復技術為線性內插(即用直線直接將各採樣點連接起來進行顯示)和正弦內插技術(以內插函數進行運算後用曲線將各採樣點連接起來顯示)。所以，在實際的測量中，重建波形需要的點一般要大於2，線性內插需要至少10個點，正弦內插只需要4個點。Agilent、Tektronix、GWINSTEK等示波器生產商的新型數字存儲示波器中基本上都採用了正弦內插顯示。
2 上升時間與示波器帶寬的關係
上升時間是靜電放電電流最重要的參數，主要由放電迴路的分布參數決定，包括充電電容、放電電阻及連接導線的分布電感、導線及放電對象與參考地之間的分布電容等。接入示波器測量迴路後，除測量迴路分布參數對測量有較大影響外，示波器的帶寬對上升時間的測量準確度以及整個波形形狀的影響也是不可忽視的。比如在進行靜電放電試驗時，在其它條件不變的情況下，選用不同的示波器所測得的靜電放電電流上升時間和波形形狀大不相同，採用固緯GDS-3154型VPO數字存儲示波器(150MHz帶寬)測量tr時最好只能達到15ns，改用GDS-3354(350MHz帶寬)測量時，基本穩定在6ns左右，前者得到的放電波形在第一個波峰之後至放電60ns的這段時間內有多個幅度較大的次波峰，而IEC1000-4-2標準中只允許有一個次波峰，後者的表現改善很多，波形基本符合要求。如果選用帶寬更高的示波器，效果會更好。由此可見，正確選用示波器是獲得準確波形的關鍵第一步。然而，表徵數字存儲示波器性能的最典型參數是帶寬及採樣率，而不是上升時間。因此，必須建立上升時間與它們的關係才能方便地選用數字示波器。上升時間的定義見圖3。
假如已知被測信號的最快上升時間大致為tr，首先將它看作是一個頻率為f的正弦波的上升沿，則tr與f的關係滿足下式[2]：
(1)
由式(1)可知，從tr求f得用帶寬大於或等於2f的數字存儲示波器便可以獲得比較準確的波形。目前，示波器生產廠商給出了更簡單的數字存儲示波器帶寬選取原則：
BW=K/tr (2)
式(2)中BW為示波器的帶寬，K為0.35~0.45之間的常數，取決於示波器的頻率響應特性和脈衝上升響應特性。對於帶寬小於1GHz的示波器，K的典型值為0.35，對於帶寬大於1GHz的示波器，K的取值通常在0.4~0.45之間。不難看出，按式(2)選用數字存儲示波器比按式(1)來選用的要求更高一些。
3 靜電放電的測試
靜電放電(ESD)是指靜電累積到一定的電勢能後對電子元器件造成的一種快速放電現象。由於快速放電的瞬時性，以及通過的元器件的等效電阻較小，會產生很大的電流，造成元器件永久損害甚至人身安全的危害。為了研究和模擬元器件和人體如何受到損害，國際上有幾種通行的模型來表述。如人體模型(HBM，Human-Body Model)、機器模型(MM，Machine Model)、帶電器件模型(CDM，Charged-Device Model)以及電場感應模型(FIM，Field-Induced Model)等。這些模型都已有工業測試標準，如HBM的EIA/JESD22-A114-A測試規範[3]和MM的EIA/JESD22-A115-A測試規範[4]。根據這些模型，現在市面上有許多靜電放電發生器來測試產品的ESD等級。由於本文主要介紹數字存儲示波器在靜電放電試驗中的選用，因此對每個具體的模型不做贅述，僅以HBM和MM模型闡述如何選用數字存儲示波器。
HBM是ESD模型中建立最早和最主要的模型之一。人體靜電是引起靜電損失和發生意外爆炸的最主要和最經常的因素，因此國內外對產品的防靜電危害要求都是以防人體靜電為主，並建立了人體模型。美國海軍1980年提出了一個電容值為100pF，電阻為1.5kΩ的所謂「標準人體模型」。這一標準得到廣泛採用。其等效電路和ESD等級如圖4。該模型表徵人體帶電接觸器件放電，Rb為人體等效電阻，Cb為人體等效電容。
MM是指機器(例如機械手臂)本身累積了靜電，當此機器去碰觸到IC時，該靜電便經由IC的引腳(pin)放電。因為機器是金屬，其等效電阻為0Ω，其等效電容為200pF。由於機器放電模式的等效電阻為0，故其放電的過程更短，在幾納秒(ns)到幾十納秒之內會有數安培的瞬間放電電流產生。其等效電路和ESD等級如圖5。
在MM中，迴路的時間常數很短，小於5ns，則在測試的過程中，電流信號的上升時間更短，一般在1ns左右。根據式(2)，得出測試所用的數字存儲示波器的最低帶寬是350MHz。根據這個帶寬，配上相應的電流探棒，對HBM在不同的靜電電壓下的放電電流進行了測試，和對比測試了HBM與MM兩種模型。得到結果如圖6和圖7。
數字存儲示波器選用臺灣固緯的GDS-3354(350MHz帶寬，5GSa/s實時採樣率)型VPO，電流探棒選用泰克的CT1(ESD測試的專用探棒，1GHz帶寬，0.2mA精度，上升時間0.35ns)，靜電放電模擬器選用SANKI的ESD-2000。
由於所測試的ESD信號是非周期的單次信號，對數字存儲示波器的正確設置從而有效抓取靜電放電波形非常重要。GDS-3354設置如下：
(1) 垂直系統選電流檔，設置正確的倍率(CT1為5mV/mA);
(2) 水平系統設置為20nS/div~50nS/div;
(3) 觸發模式設為單次觸發，觸發類型設為上升沿;
(4) 如果4通道同時測，則每通道都按照以上3步設置;
(5) 為了能細緻研究波形，則將所測試波形存儲在內置記憶體內。
4 結論
通過以上研究和實驗，可以認識到：在測量諸如靜電放電試驗這樣的單次瞬態信號波形時，首先應該將上升時間轉換為帶寬，然後根據帶寬選用數字存儲示波器，並且必須注意數字存儲示波器的帶寬和和信號的最高頻率不是一個等同的概念，以免選擇不當。基於實驗和研究的結果，不難解釋前述兩種數字存儲示波器在測量結果差異較大的原因。同時要注意，數字存儲示波器的水平時基不能太小，如果需要仔細觀察靜電放電波形，最小在1ns/div為最合適，不然不能充分表達ESD的電流波形細節。
參考文獻：
[1]IEC 1000-4-2: 2001, 「 Part 4: Testing and measurement techniques. Section 2: Electrostatic Discharge Immunity Test」.
[2]毛瑞海,王雪梅,劉偉,等.靜電放電試驗中示波器的選擇與使用[J].電測與儀表，2000(2):31-33。
[3]EIA/JESD22-A114-A, 「Electrostatic Discharge (ESD) Sensitivity Testing Human Body Model (HBM)」.
[4]EIA/JESD22-A115-A, 「Electrostatic Discharge (ESD) Sensitivity Testing Machine Model (MM)」.
本文來源於中國科技核心期刊《電子產品世界》2016年第11期第55頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。