測試專家用實例告訴你如何用好示波器

7月11日，由全球最大電子科技媒體集團ASPENCORE旗下《電子工程專輯》、《電子技術設計》和《國際電子商情》主辦的2019「智」動化和工業4.0論壇在深圳科技園舉行，來自美國、香港、台灣和大陸的八家領先企業的技術專家與來自智能製造和工業自動化領域的專業人士進行了面對面的互動交流。

深圳市鼎陽科技有限公司（SIGLENT）的鄧立彬先生在大會上為我們做了主題演講「國產基礎測試測量儀器在工業4.0時代的應用與挑戰」。

演講前，鄧立彬先生就下面的問題進行了市場調研：

工程師們是這樣回答的：

① 我認為這是一個從上而下的事情，於我們基礎研發測試端來說，目前改變不大，基本沒感覺到什麼影響；

② 工業4.0自提出以來，自動化、智能化進程確實明顯加快，尤其對於生產線來說，不少工廠都進行了改革，還是提升了不少效率的；

③ 其他不知道，雲計算、大數據這幾年確實很火；

④ 工業4.0不就是自動化、智能化嘛，智慧城市、智慧交通、智慧生活，對我們生活的方方面面都有影響啊，工作上反而好像沒什麼改變的樣子；

⑤ 工業4.0這個概念很久了，影響肯定是有的，我們目前社會進程都是在大的指導方向上做出的，我們在各行各業所享受到的便利，肯定都和這有關。。。

工程師的答案是這樣的：

① 你們公司這些產品都是基礎儀器，和這個不搭邊吧？

② 示波器什麼時候都要用啊，不管什麼時代、什麼主題，你們的儀器都是不可少的，但非得說要和這個時代搭邊，這個我也想不出來什麼方案；

③ 我覺得這個時代對你們最好的消息就是國家開始關注製造業了，只要製造業起來，基礎設備需求就大，你們的春天也就來了;

④ 從大方向來說，工業4.0和你們沒什麼關係，智能化、自動化、物聯網、5G，這些速率都很高，你們的產品適合基礎研發，這些高速的你們也搞不定啊；

⑤ 我認為你們的產品定位就是基礎市場，所有涉及電子電路測試的公司都能用得上，沒必要非得和這種工業趨勢掛鉤，當然如果能通過這個趨勢找到行業客戶去推廣，那一定事半功倍，這個到時可以好好思考思考。。。

工程師們的回答如下：

① 主要測日常電壓電流波形，再測測紋波雜訊這些，也就是峰值、頻率，有時也看一下抖動情況；

② 就是簡單地測波形，產線上使用，集成到軟體裡面讀取數據，數據就是4個通道峰值和1&2通道相位差、3&4通道相位差；

③ 測晶振、頻率抖動和紋波雜訊，偶爾做個IIC和SPI解碼；

④ 頻譜儀就用於測干擾啊，做定點輻射干擾分析，很實用；

⑤ 測電源、時序、時鐘和串列協議，還查看一些異常波形，基本上日常看板子都用。

鄧立彬先生指出，在使用示波器時，需要配置的核心參數有帶寬、採樣率、存儲深度和探頭。

示波器帶寬通常是指模擬帶寬，即示波器前端放大器的幅頻特性曲線的截止頻率點，也就是正弦波輸入信號被衰減到信號真實幅度 70.7% 時的頻率，也稱為3dB截止頻率點。示波器帶寬是由垂直系統的放大器和低通濾波器(或Anti Liaising LPF) 決定的，它與測量精度息息相關。

帶寬取決於測試的準確度以及上升沿的速度（帶寬與上升時間的關係決定帶寬的選擇）。

待測信號的類型和上升時間也決定了示波器帶寬的選擇。方波中的諧波分量越多，上升沿越陡峭，上升時間越短，信號的帶寬越寬。

當實際信號的上升時間大於示波器上升時間的3倍時，測量的精確度可達到5%，該精度是大多數研發人員折中的最佳選擇。

對開關電源而言，普通的開關管一般是kHz級別的開關頻率，上升時間一般都在100ns左右。即使開關管在30ns，1/3的上升時間是10ns，100MHz的示波器也能滿足要求，但新的一代 Cool Mos的上升時間是11ns ，下降時間是3ns ，這時至少需要350MHz帶寬的示波器。

採樣率保證高的採樣，可以準確捕獲一些尖峰。必須注意，超過帶寬5 倍以上的採樣率可保證具有良好測量精度的採樣，並且測試脈衝波需在上升沿採樣3~5個點。高採樣率減少了測試波形的失真。

長存儲深度可以保證在長時基下信號的保真度。在存儲深度一定的情況下，存儲速度越快，存儲時間就越短。提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的採樣率：測量較長時間的波形時，由於存儲深度是固定的，所以只能通過降低採樣率來達到，但這樣勢必造成波形質量的下降。如果增大存儲深度，則可以以更高的採樣率來測量，以獲取不失真的波形。

示波器第一關係式如下：

存儲深度 = 採樣率 × 採樣時間

探頭的選擇取決於測試的類型以及相應的範圍。探頭對測試系統會帶來下面一些影響：

• 探頭的帶寬對測量系統帶寬的影響：濾波效應
• 探頭自身的電路對被測電路特性的影響：負載效應/諧振效應
• 探頭高、低頻電容的補償效應
• 探頭地線的長短，地線的位置、形狀，探頭擺放位置等引起的輻射耦合：天線效應
• 有源探頭本身的雜訊影響：信噪比問題
• 探頭的衰減比引起的雜訊同步放大：量化誤差問題
• 探頭的衰減比隨工作年限而變化：電阻值的漂移問題
• 探頭的接地環境引起的傳導耦合：接地是一個永恆的話題
• 浮地測量的是與非：接地是一個永恆的話題
• 探頭和探頭之間地環路的干擾問題：接地是一個永恆的話題

波特圖實測案例

在電源設計中穩定性是一項非常重要的指標，穩壓電源本質上是一個能輸出非常大電流的反饋放大器，所以適用於反饋放大器的理論同樣適用於穩壓電源（以下簡稱電源）。根據反饋理論，一個反饋系統的穩定性可以通過其系統傳遞函數得出。工程實踐中通常會使用環路增益的波特圖來判斷系統的穩定性。

鄧立彬先生以鼎陽示波器和信號源免費的Bode Plot軟體為例，解釋了如何測量波特圖。

這是一個典型的反饋系統，系統的閉環傳遞函數A是輸入x和輸出y的數學關係表達式，環路增益T則是信號經過環路一周所得到的增益。

我們可以畫出系統環路增益的波特圖來評估系統的穩定性，表達系統穩定性常用的增益裕度和相位裕度指標一般就是從這裡得出的。相位裕度指的是在增益降為1（或者0dB）的時候，相位距離-180°還有多少；增益裕度則是相位到達-180°的時候，增益比1（或者0dB）少了多少。

在測量增益的時候斷開環路行不行呢？現實中反饋環路往往起到了穩定電路靜態工作點的作用，所以我們不能簡單的把環路斷開去測環路增益。反饋環斷開後，電路因為輸入失調等原因，輸出會直接飽和，這種情況下無法進行任何有意義的測量。

為了維持閉環，我們在注入點的位置插入一個很小的電阻而不是將環路在注入點斷開，注入信號通過該注入電阻注入到環路中去。這個注入電阻的取值要足夠小，通常遠遠小於反饋網路的等效阻抗，才能保證注入電阻對反饋環路的影響忽略不計。

原則上信號的注入不能影響環路的靜態工作點，為了解決現實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。注入信號從注入電阻的一端注入到環路中，經過反饋網路、誤差放大器和功率晶體管到達輸出，也就是注入電阻的另一端。這樣輸出信號y和注入信號i的數學關係就是我們要求的環路增益。

這是一款穩壓電源測試板，上面的電路是用TL431和分立晶體管所搭建的線性電源，有一個開關可以切換輸出電容來獲得不同的環路響應。

低頻下DUT輸入和DUT輸出通道的幅度差別很大，我們又使用了很小的激勵信號，這導致DUT輸入通道上的信號太小了，根本無法被常見的商用示波器精確測量出來。

但我們不能簡單地通過增大激勵幅度來改善測量效果，因為反饋環路在穿越頻率附近非常敏感，激勵信號過大會導致環路嚴重失真而無法得到有用的結果。

在實際測量中，測試人員往往需要不斷嘗試這些參數以找到適合當前電路的最佳設置。一種可行的辦法是先在時域下觀察波形，降低激勵幅度至看不到明顯失真，把這個幅度再降低6dB，記錄下這個幅度和當前頻率，跳到下一個頻率再重複這個操作。如果你有一個已知的差不多的設置，還有一個更好的辦法來獲得最準確的結果：將這個初始配置整體降低6dB，掃描一遍看結果是否發生變化，如果有變化，則需要繼續降低激勵幅度，如果結果不變了，上一個設置就是比較理想的情況。這兩種手段都非常繁瑣且耗時，不過為了獲得理想的測量結果也很值得。

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