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(duì)工程師有多重要。

信號(hào)是如何顯示到示波器屏幕上的呢？在示波器上，信號(hào)傳輸經(jīng)過探頭內(nèi)部的一系列電阻器和電容器。然后進(jìn)入示波器，信號(hào)進(jìn)入示波器并經(jīng)過模擬輸入信號(hào)調(diào)制模塊。根據(jù)信號(hào)的大小，它會(huì)被相應(yīng)地放大或縮小，從而達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)在 ADC 模塊中被轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（1 和 0）。同時(shí)，觸發(fā)模塊將信號(hào)與指定的觸發(fā)條件進(jìn)行比較。觸發(fā)條件告知時(shí)基模塊何時(shí)捕獲數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并將其保存到循環(huán)采集存儲(chǔ)器中。數(shù)字信號(hào)處理模塊（DSP）對(duì)數(shù)字?jǐn)?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(duì)于所有的示波器來講，信號(hào)顯示到示波器上之后，下一步就是進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量。示波器現(xiàn)在具備極其豐富內(nèi)置測(cè)量功能，工程師能迅速分析波形的幅度和時(shí)間參數(shù)。這些基本測(cè)量的范例包括：

1、測(cè)量模擬信號(hào)

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

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

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

周期（Period）： 表示信號(hào)一個(gè)完整周期的時(shí)間。

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

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

均方根值（RMS Value）： 表示信號(hào)有效值，即等效于信號(hào)的直流值。

諧波分析： 示波器可以幫助分析信號(hào)的諧波成分，顯示信號(hào)中的基波和各階諧波。

相位差（Phase Difference）： 用于測(cè)量兩個(gè)信號(hào)之間的相對(duì)相位。

波形形狀分析： 示波器可以幫助分析信號(hào)的波形形狀，檢測(cè)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(cè)量放大電路的電壓增益。通過比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的振幅，你可以計(jì)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(hào)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(cè)量放大電路的相位響應(yīng)。這對(duì)于理解信號(hào)在電路中的時(shí)間延遲非常重要。

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

截止頻率（Cutoff Frequency）： 通過改變輸入信號(hào)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(duì)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(duì)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(cè)放大電路中的噪聲。這對(duì)于高靈敏度應(yīng)用和低噪聲電路設(shè)計(jì)非常重要。

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

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

2、測(cè)量數(shù)字信號(hào)（本段轉(zhuǎn)載自《信號(hào)完整性》公眾號(hào)）

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

脈寬：脈寬是從第一個(gè)上升沿的中間閾值到下一個(gè)下降沿的中間閾值的時(shí)間。

幅度和其它電壓測(cè)量：這是波形顯示幅度的測(cè)量。通常您也可測(cè)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(diǎn)電壓之間的時(shí)間。頻率定義為1/周期。

建立和保持時(shí)間:建立時(shí)間就是時(shí)鐘觸到來之前，數(shù)據(jù)需要保持穩(wěn)定的最小時(shí)間。保持時(shí)間就是時(shí)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(shí)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(hào)(000,001,010,011, 100, 101,110,111)同時(shí)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(píng)估信號(hào)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(cè)量，比如占空比、偏移、噪聲、抖動(dòng)等等參數(shù)。這里僅是提供給一些基本的測(cè)量概念。

傳統(tǒng)來講，示波器測(cè)量的參數(shù)都是時(shí)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(cè)量頻域的參數(shù)，尤其是在電源完整性和EMC分析時(shí)，經(jīng)常會(huì)把時(shí)域的信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域的曲線進(jìn)行分析。觀察是什么頻段出現(xiàn)了問題，進(jìn)而“對(duì)癥下藥”解決問題。

3、電源測(cè)試

紋波與噪聲測(cè)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(cè)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(jìn)行確定。

紋波測(cè)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(jìn)行測(cè)量與讀數(shù)。測(cè)出的波形一般近似于三角波。

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

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

在圖所示的示例中，測(cè)試者犯了兩個(gè)錯(cuò)誤。他的第一個(gè)錯(cuò)誤是使用了一支帶長接地引線的示波器探針；他的第二個(gè)錯(cuò)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(gè)錯(cuò)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(hào)電壓和電流波形，其中包括耦合自電源變壓器的磁場(chǎng)，耦合自開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)，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(biāo)是一項(xiàng)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(xiàng)參數(shù)的重要保障。為確定電源的質(zhì)量，必須對(duì)DC/DC模塊的輸出紋波進(jìn)行測(cè)量。但很多人測(cè)量得到的紋波值動(dòng)輒上百mV，甚至幾百mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比器件手冊(cè)提供的最大紋波值大，這主要是測(cè)量方法的不正確造成的。

正確的測(cè)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(cè)量，盡量保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

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

3)保證探頭接地盡量短(測(cè)量紋波動(dòng)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(cè)試短針。如果沒有測(cè)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(cè)試信號(hào)的參考點(diǎn)共地，不要通過其他方式與測(cè)試設(shè)備共地，這樣會(huì)給紋波測(cè)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(shí)，其他儀器的開關(guān)可能通過接地線給測(cè)試帶來噪聲干擾。

地線過長，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果明顯不正確。

探頭的GND和信號(hào)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)的距離也非常重要，當(dāng)兩點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，會(huì)有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號(hào)回路中（如下圖所示），示波器觀察的波形包括了其他信號(hào)分量，導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。所以要盡量減小探頭的信號(hào)與地的探測(cè)點(diǎn)間距，減小環(huán)路面積。

在隔離電源中，會(huì)產(chǎn)生大量流經(jīng)探針接地連接點(diǎn)的共模電流。這就在電源接地連接點(diǎn)和示波器接地連接點(diǎn)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(jì)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(gè)共模電感器，其在不影響差分電壓測(cè)量的同時(shí)，還減少了共模電流引起的測(cè)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(jìn)的測(cè)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(cè)量的話，地線夾要盡可能短，并繞在探針上，即成環(huán)最小；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(cè)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(cè)試

同軸電纜測(cè)試的結(jié)果較為準(zhǔn)確，且受到人為因素的影響較小（焊接在單板上結(jié)果較穩(wěn)定）；缺點(diǎn)為測(cè)試需要焊接，若測(cè)試點(diǎn)較多，耗費(fèi)時(shí)間較長，若操作不甚，還有可能會(huì)損壞單板。

同軸電纜測(cè)試工作原理圖如下：

測(cè)試點(diǎn)選擇

焊接位置選取靠近被測(cè)對(duì)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(jìn)行測(cè)試，靠近芯片管腳是為了更真實(shí)的測(cè)到負(fù)載的情況），如有空焊盤亦可選取

測(cè)試時(shí)，測(cè)試點(diǎn)盡量選取小電容作為測(cè)試點(diǎn)；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(cè)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(cè)對(duì)象同一網(wǎng)絡(luò)電源管腳較分散，一般盡量選取靠近負(fù)載且離電源源端較遠(yuǎn)的點(diǎn)，如果同一網(wǎng)絡(luò)分散在芯片周圍，應(yīng)至少選取兩個(gè)離電源源端較遠(yuǎn)的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

示波器的設(shè)置

測(cè)試項(xiàng)解讀：

測(cè)試項(xiàng) MAX：當(dāng)前屏幕波形中的最大值。

測(cè)試項(xiàng) MIN：當(dāng)前屏幕波形中的最小值。

測(cè)試項(xiàng) PK-PK：當(dāng)前屏幕波形中的峰峰值。

圖中每一個(gè)測(cè)試項(xiàng)有五個(gè)值，第一個(gè)值為當(dāng)前屏幕的值，第二個(gè)值μ為RUN到STOP的統(tǒng)計(jì)平均值，第三個(gè)值m為RUN到STOP的統(tǒng)計(jì)最小值，第四個(gè)值M為RUN到STOP的統(tǒng)計(jì)最大值，第五個(gè)值σ為標(biāo)準(zhǔn)差，上面Acqs為統(tǒng)計(jì)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(cè)試

現(xiàn)實(shí)中反饋環(huán)路往往起到了穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點(diǎn)的作用，所以我們不能簡單的把環(huán)路斷開去測(cè)環(huán)路增益。反饋環(huán)斷開后，電路因?yàn)檩斎胧д{(diào)等原因，輸出會(huì)直接飽和，這種情況下無法進(jìn)行任何有意義的測(cè)量。

為了克服這個(gè)問題，我們必須在閉環(huán)的情況下進(jìn)行測(cè)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(duì)注入點(diǎn)的選取有特殊的要求，一般要讓從注入點(diǎn)一端看進(jìn)去的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一端看進(jìn)去的阻抗，一個(gè)比較理想的注入點(diǎn)是輸出和反饋網(wǎng)絡(luò)之間，其他注入點(diǎn)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?cè)谧⑷朦c(diǎn)的位置插入一個(gè)很小的電阻而不是把環(huán)路在注入點(diǎn)斷開，注入信號(hào)將通過這個(gè)注入電阻注入到環(huán)路中去。這個(gè)注入電阻的取值要足夠的小，通常要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于反饋網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗，這樣才能保證注入電阻對(duì)反饋環(huán)路的影響可以忽略不計(jì)。Picotest建議當(dāng)使用J2100A 型變壓器或直接使用 Siglent SAG1021I 時(shí)，使用 4.99Ω的注入電阻，當(dāng)然適當(dāng)大一點(diǎn)的注入電阻也是可以的。另外一方面，因?yàn)樽⑷腚娮韬妥⑷胱儔浩鞑⒙?lián)，小一點(diǎn)的注入電阻能降低變壓器工作的下限頻率，這在需要測(cè)量極低頻率的時(shí)候非常有用。原則上信號(hào)的注入不能影響環(huán)路的靜態(tài)工作點(diǎn)，為了解決現(xiàn)實(shí)的電路中信號(hào)源和被測(cè)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(hào)源。

測(cè)試結(jié)果分析

1、1A 負(fù)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(fù)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