摘要：现代示波器作为业内的通用测试仪器，其测试信号可谓千变万化，多姿多彩，这就造成了示波器内有些按钮和菜单在某些领域并不常用到。另外，很多不错的Measurement测量功能，Trigger触发功能,Math数学运算功能，Spectral analysis频谱分析,Power功率分析运算等，可以结合电压探头，电流探头的配合使用来精确的完成测试。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

关键词：数字荧光示波器，带宽，A/D,垂直分辨率，HI-RES,采样率，波形捕获率，本底噪声，Trigger ,Math, spectral analysis频谱分析，功率分析，探头。

Modern Oscilloscope Bring You into a Magic World of Electronics

Key words: DPO-Digital Phosphor Oscilloscope, bandwidth, A/D, Vertical resolution, Hi Resolution, waveform capture rate, background noise, trigger, math, spectral analysis, power analysis, probe.

前 言

    随着高科技在人们生活中的广泛应用，电子飞速发展的今天，信号的速度也越来越快，示波器作为观察这些复杂变换的信号的工具，测量能力更是大大的提高。目前世界上带宽最高的示波器已在著名的示波器制造商泰克TEKTRONIX研制成功并投入使用，型号为TDS<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />6154C,带宽高达15GHz,产品还包括P7313Z-ActiveTM低负载探头,采样率40GS/S,该示示波器可以在全带宽下提供最长的1.6ms的采样时间窗口以及25ps采样间隔确保最优的分辨率，同时确保随机抖动噪底为450fs (典型值) 以用于关键抖动测量^[1] 。但对于造价如此昂贵的示波器来说，只是适用于要求较高的快速信号，来完成信号完整性，抖动等特别行业如核能，高速芯片的测试。目前很多工程师使用的主流示波器产品一般在带宽为300MHz到8GHz范围内，而示波器作为业内的通用测试仪器，其测试信号可谓千变万化，多姿多彩，这就造成了示波器内有些按钮和菜单在某些领域并不常用到，另外，很多Measurement测量功能，Trigger触发功能,Math数学运算功能，Spectral analysis频谱分析, Power功率分析运算，需要和电压探头，电流探头的配合使用来精确的完成测试。

一、 示波器一路不停走到现在的状况简述

自从TEK的创始人霍华德先生发明世界第一台商用模拟示波器以来，示波器就一直在不停的有新的功能和技术被研究发明出来。也因此不断的满足工程师新的需求，如存储功能，新的测试电路慢速信号，瞬间信号,触发等的观测、存储和分析。也因此发明了数字存储示波器和数字荧光示波器DPO。也即是说示波器的发展经历这么一个过程：

     TDS5000B系列DPO由专利的DPX技术驱动，是唯一能够每秒捕获100000个波形的中端示波器,使得工程师可以发现偶发的毛刺和故障。同时也可以建立三维波形数据库。比市场上任何一种示波器都要快得多。

二、数字荧光示波器DPO

    那什么是数字荧光示波器呢？它和模拟CRT及数字示波器DSO亦什么相同之处和不同之处呢?简单的回答是DPO比传统的DSO展示出更多的信号信息。与模拟示波器一样，DPO也有灰度旋钮，灰度显示刷新也是实时的，所以信号完整性问题也会随信号刷新而消失。为保证信号历史信息的记录，DPO也一样提供余晖显示，包括可变余晖和无限余晖。这对于观测抖动和偶发信号尤其有用。余晖模式是DSO中为显示信号中事件发生频率而采用的使用通常采集方式采集，而后进行处理进行显示的方式。DSO的余晖受到两次采集之间死区的限制。由于显示是通过很长时间的累积产生，信号相对应保持比较静态。但是，大多数的复杂信号都是动态的，需要实时的响应。尤其当打开多个通道的时候，DSO的处理器的获取速度会更慢。而DPO是实时高速捕获波形，采集数据，波形以触发速度快速累计并置于一个三维数据库，提供实时的信号发生频度的信息。结果是具有模拟示波器的实时响应速度，和数字示波器三维数据库的分析能力。

    具体的回答必须与波形记录观测模式有关系，是FastAcq模式还是RecordView模式，TDS5000B系列使用所有数据压缩显示于屏幕的做法，所有的波形数据，不论记录长度多少，都会压缩成500点的数据在屏幕显示。所以当记录长度为16M的时候，屏幕上的每个点实际上代表16M/500 = 32,000个点的数据。即使信号在32000个周期都保持不变，波形也会比一个采样要粗一些。如果使用FastAcq，每一屏幕代表了几千次采集的数据。一样的，即使信号是完全重复的，看到的波形也会比较粗，因为它显示了更多信号的真实行为。

    如果工程师不喜欢粗的波形，可以这样做，在RecordView模式，将记录长度设为500~10K点，（顺时针旋转分辨率旋钮时可以在屏幕右边上看到记录长度改变的信息）。在

FastAcq模式，降低波形灰度。这与在模拟示波器上的经验是一致的，模拟示波器的灰度旋钮也会影响波形的粗细。根据测试信号的实际环境和具体对比参数，有经验的工程师也会考虑噪声影响测试精度的因素，他们此时会使用差分探头，噪声、高频、低频抑制或打开带宽限制器等。另外，在数字荧光示波器如：型号为TDS5000系列的示波器的水平菜单Horizontal中的Acquisition选项中，我们可以发现六种采集模式，水平第三个按钮是Hi Res,即高分辨率采集模式。采集原理如下图：

Hi Res模式提供了计算每个捕获间隔所有取样的平均值，只有在非常高的波形捕获率的硬件下才可以使实现捕获间隔内的采样取平均值有意义。因此，它有三点值得我们在精确测试中使用的价值：

（1）该采集模式适用于周期性，单次等所有信号。

（2）是一种数字低通滤波器。

（3）将采样点的垂直分辨率从8位提高到12位。

比如，我们来利用数字荧光示波器来测试并计算一个磁性器件在不同频率下的电感、相位、无功和损耗等参数，这就需要精确的来测试。相位的0.5°偏差，虽然不会在李莎如图上有明显差别，但就会给损耗的结果在不同驱动信号下的实验带来约1W左右很大偏差。所以，有经验的工程师会考虑不同通道探头本身之间的信号时间延迟带来的相位误差，这须做通道间时间延迟的校正，或使用deskiew减去探头本身延迟时间，而信号本身的粗糙性，噪声（包括仪器本底噪声，外界信号干扰，信号源的噪声）明显会影响到相位测量的准确度。通过对数字荧光示波器的优势的理解，在测试中我们通过设置示波器改变采样存储的长度比如10K，采样率1GS/S或更高，再利用Hi Res采集模式的优势，提高采集波形的幅值和时间精度，同时又滤去噪声。有经验的工程师一方面会考虑利用该仪器频谱分析功能分析没有探头时仪器和外界的噪声或有探头时接地的噪声来做后期运算参考;另一方面会考虑利用仪器本身的测量相位的功能来观察相位实时变化的波形和数值情况，也可以通过Math来进行波形的乘法运算可以得到实时的功率波形，然后对功率波形进行一个周期平均积分可以得到该段存储时间内的平均功率P。在电压、电流参考方向下，线性电感元件吸收的功率P=u*i=Li*di/dt也可以通过感应电动势的量值等于磁链的变化率1e1=1L*di/dt1来计算出电感值。另外，如果TDS5000系列仪器在使用半年内，那么它的免费半年的功率分析软件PWR3也可以完成电感等磁性器件的分析，来得到磁滞回曲线，铁损，饱和磁通,饱和磁通,矫顽力,磁导率,电感等参数。元件的工程师也可以用一些软件MATHCAD，MATLAB等编写相应的程序来对采集的波形数据进行处理来得到所需要的如李莎如图，相位，电感值，损耗等 。

（三）理解示波器的结构框架

工程师对自己所做的电路可能都了如指掌，但仍有许多外围电路也同时工作在一个系统电路中，那么工程师可能就不得不去了解外围的电路对自己所做的那部分电路所在不同工作状态下的影响，来做出响应的改进。这时我们只好通过示波器来和那些外围的电路沟通，而此时，示波器就像工程师的眼睛，如果不对示波器加以理解，眼睛就不会那么明亮了。这里给出示波器的结构简图：

我们可以从三个时代的示波器ART--DSO--DPO结构简图中看出，并行结构和处理器的高度集成给示波器的处理和显示信号的速度带来了巨大的优势。其中三者共有的放大器系统，就对应着调节示波器的手动控制旋钮中的垂直菜单部分，探头应理解为示波器同一系统，它第一位决定信号的带宽，对探头的基本结构要有所理解，才能理解探头的不同型号和不同应用，如主动探头，被动探头，差分探头，电流探头等，触发电路对应触发菜单，时基电路对应水平菜单，等其他部分也都可以分别从结构原理上对应，再加以理解应用，这样以来我们操作示波器的时候就可以得心应手，让电路中的波形无所遁形了。

（四）现代强大易用的TEK系列示波器

    目前，泰克公司的DSO数字示波器TDS1000&TDS2000系列已经在各大院校，工厂广泛应用；2004年底新推出的隔离通道DSO示波器TPS2000也成了工程师的新宠；世界上最广为应用的DPO数字荧光示波器TDS3000B系列从100MHz,200MHz，300MHz连续直达600MHz ^[3]。这些示波器的操作都非常简便，相应的配有各种领域的分析模块，如电力测试，视频测试，电信测试，而且属于便携式。TDS6000,7000,8000高端示波器都有OEM WINDOWS操作平台。

TDS5000B系列，2.0GHz Pentium IV处理器,512 MB RAM, 80 GB 硬盘，CD-RW^[2]。TDS5000B具有非常明显的应用优势,号称世界上最易使用的中端示波器。高达1GHz的带宽和5GS/S的采样速率，16MB记录长度，双处理器，拥有100000WMS/S的捕获能力，可以分析观察信号完整性极其对设计可靠性帮助，内部包括了强大的触发功能，测量功能，数学运算编辑功能，频谱分析功能，DPO，快速波形捕获模式提供 100,000 wfms/s 波形捕获率，体积小巧，应用软件解决方案，iView集成互动能力与TLA5000系列互动，嵌入式GPIB控制器,具有强大的网络用户控制和共享修改示波器界面My Scope 用户自定义控制窗口：

·        工作小组中的每个人都可以定义自己的控制窗口

·        可以将自己的控制窗口移至另一台TDS5000B，甚至e-mail给世界其它地方的使用者共享。

·        直接调出自己的文件，就可以得到自己定义的控制界面

·        My Scope 控制窗口非常容易定义，可以随着你的测试任务的不同轻松改变

·        My Scope对于所有用户都会带来利益，从不经常使用示波器到熟练的示波器用户都会提高工作效率。

·        鼠标右键，强大相关菜单：

当我们将鼠标指向示波器屏幕上我们感兴趣的部分，比如，通道1的波形，工程师通过选择该点，点击鼠标右键，弹出所有的控制功能。弹出的菜单将包括通道1相关的所有调整和测量控制功能。可以选择他们需要的参数改变，而不需要再去菜单中找寻。

专业试用版为半年的业内专业的测试分析软件，如：

TDSCPM2:  ANSI/ITU通信脉冲测试         TDSDVD:光存储分析

TDSET3:   以太网一致性测试              TDSDDM2:硬盘驱动器测试

TDSJIT3E: 抖动和定时测试－基础版        TDSJIT3:抖动和定时测量

TDSPWR3:  电源分析和测试                TDSUSBS:USB2.0 一致性测试^[2]

比如：TDSPWR3电源分析测试软件，加上精密的TEK探头P5205(CH1)+TCPA300+TCP312(CH2)和精确数据捕获实现的实时的功率在线分析PWR3,如BH曲线，SOA，THD,等等。我们来简单了解它的开关损耗的功率MATH算法：

平均功率：Ｐ＝Ｐon+Ｐoff+Ｐrdson＝１／Ｔs∫VDS（t）*ID(t)dt

瞬时功率为：Ｐ(t)=CH1(VDS(t))*CH2(IDS(t))

积分在０～T后的瞬时功率为消耗的能Ｗ(t)=∫Ｐ(t)dt

总平均功率为：Ｐ＝Ｗ(Ts)-Ｗ(T0)/Ts

正如PHILIPS公司的高级工程师Ed Wang先生所说：TDS5000B系列示波器是一个非常强大的工具，PHILIPS的许多工程师都使用很高级的测量和分析功能。而且，它设计的如此之精巧，任何熟悉示波器的人都可以使用它。它简便易用的特性极大地提高了研发和生产效率。