示波器自動測量參數提供最精確的測量

示波器自動測量參數提供最精確的測量

佚名 發表於 2018-06-27 16:54:42

與大多數測試工具相同，現代數字存儲示波器 (DSO) 一直在不斷演進，以滿足設計人員和測試工程師的需求，在性能、特性和實用性之間達到平衡。但是，它的三種基本特性——格線、光標、自動測量參數卻始終保持不變，因為對於面臨著持續增加的產品上市速度壓力的設計人員而言，在正確運用的情況下，這些特性具有極其重要的價值。

本文將介紹如何正確使用和運用現代 DSO 的這些基本特性，並提供測量參數的實用定義以供參考。

現代 DSO 的三種必不可少的工具

示波器是一種電壓響應測量儀器，包括三種基本測量工具。隨著儀器的發展，這些工具也在持續演進。最早的工具是儀器顯示屏上的顯示格線或柵格。在示波器發展過程中引入的第二種工具是光標或標記。最後增加的第三種工具是測量參數。這些參數都是隨著數字示波器的推出而增加的。這些工具沒有隨著新技術手段的出現而被取代，足以證明它們的實用性。下面我們將逐一介紹這三種工具，幫助您了解使用它們的原因，以及如何充分利用它們。

屏幕格線

最原始的測量技術是使用屏幕上的格線和計算格數。這種方法主要用於快速估算振幅和時間測量值。顯示格線或柵格是在示波器上出現的第一種測量工具。波形的測量方法就是記錄波形覆蓋的柵格數量，然後乘以相應的比例係數。在 Teledyne LeCroy HDO 4104A 上，我們採集了波形，顯示了五個周期的正弦波（圖 1），我們可為該波形完成測量。

圖 1：典型示波器顯示柵格。從通道 1 (C1) 的軌跡描述符讀取的垂直比例係數為每格 50 毫伏 (mV)，在時基描述符中顯示的水平比例係數為每格 100 ns。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

正弦波軌跡在垂直方向上覆蓋六格，乘以每格 50 毫伏 (mV) 的垂直比例係數（見通道 1 描述符方框），即可算出正弦波振幅為 300 mV（峰峰值）。同樣，正弦波的周期覆蓋了兩個水平的柵格，時基描述符方框中的每格為 100 納秒 (ns)，因而周期為 200 ns。計算格數的方法似乎有些原始，但它是進行基本測量的非常快捷的方法。大多數示波器用戶都能適應使用這種方法，來驗證所要測量波形的基本假設，並保證示波器設置正確。

光標

光標是可由用戶放置的顯示線，具有關聯的振幅和時間讀數。光標放置在軌跡上所要測量的點上。光標讀數顯示振幅、時間以及光標標記線之間的時差（圖 2）。

圖 2：軌跡和顯示光標讀數欄位（包括振幅和時間位置）的 X-Y 光標（圖片來源：Digi-Key Electronics）

可用的光標類型包括水平線、垂直線以及水平加垂直線。圖中所示的光標類型為垂直線，包括由垂直光標線和箭頭標記的點的水平和垂直讀數。振幅讀數顯示在每個所示通道的軌跡描述符中。水平讀數位於時基和觸發描述符方格下方。水平讀數顯示相對於觸發點的絕對光標位置、光標之間的時差 (Dt)，以及時差的倒數（頻率）。

光標操作延伸到在 X-Y 顯示區域上使用。除了光標正常的振幅和時間讀數之外，用戶還可從 X-Y 顯示區域獲取矢量角度（從向下箭頭到向上箭頭的角度）和振幅（從向上箭頭到向下箭頭的半徑）的讀數。這些矢量讀數顯示在 X-Y 顯示區域下方。X-Y 顯示區域上的相對光標可以讀取矢量差，包括誤差矢量振幅 (EVM) 和相位角。

X-Y 光標的實用特性是：X-Y 顯示區域上的光標位置在 X-T 和 Y-T 分量上跟蹤。因此，X-Y 顯示區域上的任何異常都可以即時追蹤到分量軌跡上的確切點。

測量參數

測量波形的最精確方法是使用示波器提供的自動測量參數（圖 3）。

圖 3：顯示最多八個參數讀數的 Teledyne LeCroy HDO 4104A 示波器測量參數，包括統計數據和「直方圖」。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

Teledyne LeCroy 4104A 和 WaveSurfer 510 示波器提供 30 多個基本測量值，一次最多可分別顯示八個或六個參數。WaveSurfer 3024 有 24 個標準測量值，一次最多顯示六個參數。在特定分析選項中，還提供額外的參數。

該示波器針對顯示波形的每個周期，對時序參數進行測量。這種功能稱為「全實例」測量。振幅參數累加每次採集的單個值。測量表可以顯示每個測量參數的最新值，或者通過參數統計，顯示所有測量的歷史記錄。上圖顯示參數統計處於打開狀態。可用參數統計包括平均值、最小值、最大值和標準差。另外還顯示參數統計包括的總採集（掃描）次數。它為統計檢驗奠定了基礎。

還可以打開直方圖，以顯示每個參數的測量值的分布。統計和直方圖有助於我們了解參數值在多次測量中的變化。

趨勢函數可讓我們進一步了解測量值的變化。趨勢函數可按照測量的順序，繪製測量參數值圖。垂直軸單位與測量單位相匹配，水平值是測量順序編號（圖 4）。

圖 4：調頻正弦波的瞬時頻率趨勢圖示例。每個周期都測量頻率，數學軌跡 F1 中值的繪製順序按照測量順序。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

採集的信號為調頻正弦波；信號頻率逐周期測量，並在數學軌跡 F1 中繪製為趨勢圖。趨勢圖的垂直軸以赫茲 (Hz) 為單位，而水平軸則為測量順序編號。趨勢圖可能有 20 至 1,000,000 個點，級數為 1-2-5。這些趨勢圖與源軌跡同步，但必須繪製相同的點數。

狀態圖標，例如統計表下方的綠色勾選標記，指示參數計算的狀態，包括錯誤條件。如果沒有足夠的可用數據，則讀數為空白。

這些測量可以設定門限，這樣只有在用戶定義的測量門限之內的數據才包括在測量中。這種功能在很多應用中是非常有用的，例如在地址和數據信號波形共享相同的信號路徑的情況下，對數據總線進行分析。可以設定測量門限，使得測量只針對所需的模式進行。

脈衝測量基於 IEEE 181 標準。該標準規定，脈衝測量必須應用統計分析，以最大程度減少噪聲對脈衝波形測量的影響（圖 5）。

圖 5：IEEE 181 標準脈衝測量直方圖示例。脈衝直方圖將顯示兩個峰值。這些峰值的平均值決定了脈衝的電壓峰值和谷值，從而最大程度地減少噪聲的影響。（圖片來源：Teledyne LeCroy）。

IEEE 標準規定應繪製波形樣本直方圖。脈衝直方圖將有兩個峰值。較高峰值的平均值為脈衝頂部，較低峰值的平均值為脈衝底部。使用這些平均值可以消除噪聲對確定脈衝振幅的影響。因此，周期、寬度、過衝、上升時間和下降時間都可以得到更加精確的計算。

如果直方圖無法顯示兩個不同的峰值，則示波器將通過狀態圖標來指示波形不是脈衝，振幅測量的依據是最大值減去最小值或峰峰值。

其他專門測量基於類似的行業測量標準。

下面還有一個有用的表格，列出了 Teledyne LeCroy HDO 系列示波器的標準參數。該表格對測量參數提供了很好的定義，具有很大的參考價值：

Amplitude/振幅

雙峰信號的峰值和谷值之間的差，如果不是雙峰信號，則為最大值 - 最小值

Area/面積

波形下方的面積

Base/基底

雙峰波形中較低最可能狀態的值

Delay/延時

觸發與 50% 振幅處第一邊沿之間的時間

Δ period@level

波形中每個周期的相鄰周期偏差（周期之間的周期抖動）

Δ time@level

兩個波形之間的可選電平之間的時間

Duty cycle/佔空比

寬度佔周期的百分比

Duty@level

選定電平處的佔空比抖動

Edges@level

波形中的邊沿數

Fall time/下降時間

下降沿從 90% 到 10% 的持續時間

Fall 80 - 20%

下降沿從 80% 到 20% 的持續時間

Frequency/頻率

信號中 50% 電平處的每個周期的頻率

Freq@level

波形中每個周期的特定電平和斜率處的頻率

Maximum/最大值

測量波形的最高點

Mean/平均值

輸入信號中的所有數據值的平均值

Minimum/最小值

測量波形的最低點

Overshoot−/負過衝

下降沿之後的過衝量，以振幅的百分比表示

Overshoot+/正過衝

上升沿之後的過衝量，以振幅的百分比表示

Peak to peak/峰峰值

波形中最高點和最低點之間的差

Period/周期

所測量周期性信號的周期，以 50% 電平之間的時間表示

Period@level

波形中每個周期的特定電平和斜率的周期

Phase/相位

兩個選定信號之間的相位差

Rise/上升

上升沿從 10% 到 90% 的持續時間

Rise 20 - 80%

上升沿從 20% 到 80% 的持續時間

RMS

數據的均方根值

Skew/偏移

clock1 邊沿的時間減去最近的 clock2 邊沿的時間

Standard deviation/標準差

光標之間數據的標準差

Time@level

在指定電平下從觸發到邊沿的時間

Top/基頂

兩種最可能狀態中的較高者，較低者為基底

Width +/正脈寬

50% 交叉處的正脈衝寬度

Width -/負脈寬

50% 交叉處的負脈衝寬度

這些測量參數都有清晰的定義，並且自動執行，精度高於其他測量技術可能達到的精度。

總結

示波器上的自動測量參數提供最精確的測量，而光標則提供更高的測量靈活性。例如，使用光標可以非常簡單地測量脈衝群的持續時間，但需要定製參數。同樣，使用格線的柵格估算是進行基本測量的最快捷方法，非常適合用於快速驗證測試設置。

慶幸的是，現代數字示波器製造商成功保持了所有這三個方面的優勢，可以幫助設計人員縮短所需的測試時間。

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