DSO的三種必備工具：屏幕格線、光標(biāo)、測(cè)量參數(shù)

與大多數(shù)測(cè)試工具相同，現(xiàn)代數(shù)字存儲(chǔ)示波器 (DSO) 一直在不斷演進(jìn)，以滿足設(shè)計(jì)人員和測(cè)試工程師的需求，在性能、特性和實(shí)用性之間達(dá)到平衡。但是，它的三種基本特性——格線、光標(biāo)、自動(dòng)測(cè)量參數(shù)卻始終保持不變，因?yàn)閷?duì)于面臨著持續(xù)增加的產(chǎn)品上市速度壓力的設(shè)計(jì)人員而言，在正確運(yùn)用的情況下，這些特性具有極其重要的價(jià)值。

本文將介紹如何正確使用和運(yùn)用現(xiàn)代 DSO 的這些基本特性，并提供測(cè)量參數(shù)的實(shí)用定義以供參考。

現(xiàn)代 DSO 的三種必不可少的工具

示波器是一種電壓響應(yīng)測(cè)量?jī)x器，包括三種基本測(cè)量工具。隨著儀器的發(fā)展，這些工具也在持續(xù)演進(jìn)。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(fā)展過(guò)程中引入的第二種工具是光標(biāo)或標(biāo)記。最后增加的第三種工具是測(cè)量參數(shù)。這些參數(shù)都是隨著數(shù)字示波器的推出而增加的。這些工具沒(méi)有隨著新技術(shù)手段的出現(xiàn)而被取代，足以證明它們的實(shí)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(cè)量技術(shù)是使用屏幕上的格線和計(jì)算格數(shù)。這種方法主要用于快速估算振幅和時(shí)間測(cè)量值。顯示格線或柵格是在示波器上出現(xiàn)的第一種測(cè)量工具。波形的測(cè)量方法就是記錄波形覆蓋的柵格數(shù)量，然后乘以相應(yīng)的比例系數(shù)。在Teledyne LeCroyHDO 4104A上，我們采集了波形，顯示了五個(gè)周期的正弦波（圖 1），我們可為該波形完成測(cè)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系數(shù)為每格 50 毫伏 (mV)，在時(shí)基描述符中顯示的水平比例系數(shù)為每格 100 ns。（圖片來(lái)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) 的垂直比例系數(shù)（見(jiàn)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(gè)水平的柵格，時(shí)基描述符方框中的每格為 100 納秒 (ns)，因而周期為 200 ns。計(jì)算格數(shù)的方法似乎有些原始，但它是進(jìn)行基本測(cè)量的非常快捷的方法。大多數(shù)示波器用戶都能適應(yīng)使用這種方法，來(lái)驗(yàn)證所要測(cè)量波形的基本假設(shè)，并保證示波器設(shè)置正確。

光標(biāo)

光標(biāo)是可由用戶放置的顯示線，具有關(guān)聯(lián)的振幅和時(shí)間讀數(shù)。光標(biāo)放置在軌跡上所要測(cè)量的點(diǎn)上。光標(biāo)讀數(shù)顯示振幅、時(shí)間以及光標(biāo)標(biāo)記線之間的時(shí)差（圖 2）。

圖 2：軌跡和顯示光標(biāo)讀數(shù)字段（包括振幅和時(shí)間位置）的 X-Y 光標(biāo)（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

可用的光標(biāo)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(biāo)類型為垂直線，包括由垂直光標(biāo)線和箭頭標(biāo)記的點(diǎn)的水平和垂直讀數(shù)。振幅讀數(shù)顯示在每個(gè)所示通道的軌跡描述符中。水平讀數(shù)位于時(shí)基和觸發(fā)描述符方格下方。水平讀數(shù)顯示相對(duì)于觸發(fā)點(diǎn)的絕對(duì)光標(biāo)位置、光標(biāo)之間的時(shí)差 (Dt)，以及時(shí)差的倒數(shù)（頻率）。

光標(biāo)操作延伸到在 X-Y 顯示區(qū)域上使用。除了光標(biāo)正常的振幅和時(shí)間讀數(shù)之外，用戶還可從 X-Y 顯示區(qū)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(shù)。這些矢量讀數(shù)顯示在 X-Y 顯示區(qū)域下方。X-Y 顯示區(qū)域上的相對(duì)光標(biāo)可以讀取矢量差，包括誤差矢量振幅 (EVM) 和相位角。

X-Y 光標(biāo)的實(shí)用特性是：X-Y 顯示區(qū)域上的光標(biāo)位置在 X-T 和 Y-T 分量上跟蹤。因此，X-Y 顯示區(qū)域上的任何異常都可以即時(shí)追蹤到分量軌跡上的確切點(diǎn)。

測(cè)量參數(shù)

測(cè)量波形的最精確方法是使用示波器提供的自動(dòng)測(cè)量參數(shù)（圖 3）。

圖 3：顯示最多八個(gè)參數(shù)讀數(shù)的 Teledyne LeCroy HDO 4104A 示波器測(cè)量參數(shù)，包括統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和“直方圖”。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

Teledyne LeCroy 4104A 和WaveSurfer 510示波器提供 30 多個(gè)基本測(cè)量值，一次最多可分別顯示八個(gè)或六個(gè)參數(shù)。WaveSurfer 3024有 24 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值，一次最多顯示六個(gè)參數(shù)。在特定分析選項(xiàng)中，還提供額外的參數(shù)。

該示波器針對(duì)顯示波形的每個(gè)周期，對(duì)時(shí)序參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。這種功能稱為“全實(shí)例”測(cè)量。振幅參數(shù)累加每次采集的單個(gè)值。測(cè)量表可以顯示每個(gè)測(cè)量參數(shù)的最新值，或者通過(guò)參數(shù)統(tǒng)計(jì)，顯示所有測(cè)量的歷史記錄。上圖顯示參數(shù)統(tǒng)計(jì)處于打開(kāi)狀態(tài)?？捎脜?shù)統(tǒng)計(jì)包括平均值、最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)差。另外還顯示參數(shù)統(tǒng)計(jì)包括的總采集（掃描）次數(shù)。它為統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

還可以打開(kāi)直方圖，以顯示每個(gè)參數(shù)的測(cè)量值的分布。統(tǒng)計(jì)和直方圖有助于我們了解參數(shù)值在多次測(cè)量中的變化。

趨勢(shì)函數(shù)可讓我們進(jìn)一步了解測(cè)量值的變化。趨勢(shì)函數(shù)可按照測(cè)量的順序，繪制測(cè)量參數(shù)值圖。垂直軸單位與測(cè)量單位相匹配，水平值是測(cè)量順序編號(hào)（圖 4）。

圖 4：調(diào)頻正弦波的瞬時(shí)頻率趨勢(shì)圖示例。每個(gè)周期都測(cè)量頻率，數(shù)學(xué)軌跡 F1 中值的繪制順序按照測(cè)量順序。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

采集的信號(hào)為調(diào)頻正弦波；信號(hào)頻率逐周期測(cè)量，并在數(shù)學(xué)軌跡 F1 中繪制為趨勢(shì)圖。趨勢(shì)圖的垂直軸以赫茲 (Hz) 為單位，而水平軸則為測(cè)量順序編號(hào)。趨勢(shì)圖可能有 20 至 1,000,000 個(gè)點(diǎn)，級(jí)數(shù)為 1-2-5。這些趨勢(shì)圖與源軌跡同步，但必須繪制相同的點(diǎn)數(shù)。

狀態(tài)圖標(biāo)，例如統(tǒng)計(jì)表下方的綠色勾選標(biāo)記，指示參數(shù)計(jì)算的狀態(tài)，包括錯(cuò)誤條件。如果沒(méi)有足夠的可用數(shù)據(jù)，則讀數(shù)為空白。

這些測(cè)量可以設(shè)定門限，這樣只有在用戶定義的測(cè)量門限之內(nèi)的數(shù)據(jù)才包括在測(cè)量中。這種功能在很多應(yīng)用中是非常有用的，例如在地址和數(shù)據(jù)信號(hào)波形共享相同的信號(hào)路徑的情況下，對(duì)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行分析。可以設(shè)定測(cè)量門限，使得測(cè)量只針對(duì)所需的模式進(jìn)行。

脈沖測(cè)量基于 IEEE 181 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，脈沖測(cè)量必須應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析，以最大程度減少噪聲對(duì)脈沖波形測(cè)量的影響（圖 5）。

圖 5：IEEE 181 標(biāo)準(zhǔn)脈沖測(cè)量直方圖示例。脈沖直方圖將顯示兩個(gè)峰值。這些峰值的平均值決定了脈沖的電壓峰值和谷值，從而最大程度地減少噪聲的影響。（圖片來(lái)源：Teledyne LeCroy）。

IEEE 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)繪制波形樣本直方圖。脈沖直方圖將有兩個(gè)峰值。較高峰值的平均值為脈沖頂部，較低峰值的平均值為脈沖底部。使用這些平均值可以消除噪聲對(duì)確定脈沖振幅的影響。因此，周期、寬度、過(guò)沖、上升時(shí)間和下降時(shí)間都可以得到更加精確的計(jì)算。

如果直方圖無(wú)法顯示兩個(gè)不同的峰值，則示波器將通過(guò)狀態(tài)圖標(biāo)來(lái)指示波形不是脈沖，振幅測(cè)量的依據(jù)是最大值減去最小值或峰峰值。

其他專門測(cè)量基于類似的行業(yè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

示波器上的自動(dòng)測(cè)量參數(shù)提供最精確的測(cè)量，而光標(biāo)則提供更高的測(cè)量靈活性。例如，使用光標(biāo)可以非常簡(jiǎn)單地測(cè)量脈沖群的持續(xù)時(shí)間，但需要定制參數(shù)。同樣，使用格線的柵格估算是進(jìn)行基本測(cè)量的最快捷方法，非常適合用于快速驗(yàn)證測(cè)試設(shè)置。

慶幸的是，現(xiàn)代數(shù)字示波器制造商成功保持了所有這三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，可以幫助設(shè)計(jì)人員縮短所需的測(cè)試時(shí)間。