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如何用好用活示波器
10:59:51 && 阅读：11463&&
作者：朱辉 ， Power-One Inc.
ScopeArt按语：
本文作者是一位长期在一线使用示波器的有经验的电源工程师。以此身份，他提出在使用示波器的过程中要注意一些细节，包括：在使用前对示波器进行自校准，对探头进行补偿；测量电源纹波时要限制带宽，去掉探头“帽子”和地线夹；测量电源的原、副边时不能同时使用无源探头。文中关于电源纹波测量还谈到在探头前端并联电容，但缺少对这种做法的合理性的解释。值得注意的是，关于纹波测量，文中并没有强调更小地减少量程，但示波器量程要尽可能地小，这应是测量电源纹波的首要原则。
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本人从事电源行业有5-6年了，示波器就相当于我的左右手。没有它就感觉什么都做不了。有它的存在，能让我能很顺利完成很多项目设计和问题分析。对于我来说，走到今天，它的功劳是不可替代的。对于电源工程师来说，一旦有产品有问题就需要抓波形，抓时序，测试准确数值，以帮助工程师分析，处理。以事实说话，看波形说话。如何使测试的数据准确和可靠是非常重要。准确的数字能够帮助我们，而失真的波形和数值只能误导我们，让我们背道而驰，让我们失去方向，多做很多无用功。
今天见到这个“征稿启事”，细细想想，自己虽然在示波器方面不是研究的那么精通，但是也看过不少关于示波器的文章，实践中碰到不少问题，解决了不少问题，一路过来还是有点经验可以和大家分享的，希望对大家能有所帮助。如果写的不好，请大家见谅。
我常常看到很多小公司用的示波器过于低端，带宽低，采样率底，认为能抓到波形就行，认为没有必要买那么好的示波器，并且认为示波器操作简单，没有那么多规范。看到他们对示波器的操作，不做测试之前的准备，拿起来就用，其实那样做是不正确的，可能往往就是这个操作不正确导致测试结果失真，影响分析。即使一些很资深的工程师可能也不会注意到一些细节。不少工程师对示波器的认识度欠缺，如何更好的使用示波器还是有待提高的。下面就以我见到的很多工程师常犯的问题予以纠正，分享一下我掌握的一些知识。
1 很多工程师直接拿起探头就测试，根本不去检查探头是否需要补偿，示波器是否需要校验。只有在一些大公司或经过培训的工程师才会在使用前做准备工作
示波器使用前需要自校准和需要探头补偿调节，执行这种调节是使探头匹配输入通道。
首次操作仪器时以及同时显示多个输入通道的数据时，可能需要在垂直和水平方向上校准数据，以使时基、幅度和位置同步。例如，发生明显温度变化(& 5°) 时就需要进行校准。
&1.从通道输入连接器上断开任何探头或电缆。确保仪器运行并预热一段时间。R&S示波器从 File（文件）菜单中，选择Selfalignment（自校准）。
2.在 Control（控制）选项卡上，点击Start Alignment（开始校准）。
3.R&S示波器完成此过程需几分钟时间。有的示波器可能需要一个小时以上时间。整体通过/失败结果会显示在Overall alignment state（整体校准状态）字段中。每个输入通道各个校准步骤的结果会显示在Results（结果）选项卡中。
探头补偿调节的操作步骤如下: 1.将示波器探头连接到通道，按前面板上的 PRESET（预设）按键（左侧面板设置区域中)。将探头信号端和参考地连接到示波器面板上的参考输出，然后按Autoset（自动设置）。如果使用探头钩式前端附件，请将信号针前端牢固连接在探头上，确保正确连接。如组图一所示：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图1-1
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图1-2
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&组图一 探头补偿调节
2.检查所显示波形的形状。可能会出现的情况如图二。
图二 补偿过度，不足和正确补偿后半部的波形形状示意
过度和不足都需要调节探头。以能更好的测试准确值。
3.如果波形不正确，请调整探头。如下图三所示，直至波形为上面的补偿正确波形。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图三 补偿探头方法
以上两点看似简单，但往往是工程师忽略的。为了使测量更精确，请一定要注意检验。这两个校准功能在任何示波器都应该有。
2 测试电压纹波
很多电源工程师在纹波的测量的时候，也不会关注那么多，想当然的测试。示波器的使用方法不同导致测试的结果差异很大。如下组图四和组图五，对于同一个产品同一个测试点，由于测试方法的差异，导致测试结果的差异很大。纹波对于电源来说是个重要参数，但是由于自己的操作问题而导致做测试不通过，又浪费大量的人力和成本去整改是很不值得的。
有时候您的客户由于对仪器的使用和注意不够，导致测试的数据错误。但是自己这边产品又是没有问题的，弄的怎么说也说不通，以至于客户还以为是在欺骗他们，所以测试方法很重要。注意这些细节，可以节省很多时间，让自己的能力更上一层。
示波器测试的值本身就存在误差的(这里我就暂时不讲解了)。现在很多公司要求测试波形图的值作为判定依据。其实示波器只是测试电压随着时间变化的过程，主要是调试中捕获波形。具体测量直流电压有效值额度准确度还不如数字万用表的值。示波器的直流精度的指标标定也是以万用表做参考的。 但是越来越多公司和工程师以示波器的值当作真实值，那么我们就只能尽力作到是测试误差最少。
下面是测试纹波的图解和分析:
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图4-1
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图4-2
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&组图四
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图5-1
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图5-2
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 组图五
组图四组图五组图四的测试纹波的结果值3.9921V比图五0.126V大很多，但是组图四的测试值是不真实的。问题分析：其实产品没有问题。只是测试方法有问题而已。现在我们就来指出问题点:
第一个错误是使用了长的接地线。
第二个错误是将探头形成的环路和接地线均置于电源变压器和开关元件附近。
第三个错误是示波器探头和输出电容之间存在多余电感。
由于这些不注意，导致拾取了很多高频信号，变压器的磁场，开关的电场，以至于示波器抓出来的波形有高频杂讯掺杂在里面显示出来。
第四个错误是量程太大。
准确地测试纹波需要做到：
使用带宽限制来测量纹波，以防止拾取并非真正存在的高频杂讯。示波器带宽设置为20M即可。去掉探头“帽子”和地线夹，以防止长地线形成的天线效应。用近地线缠绕在探头和地之间。罗德与施瓦茨公司有专门提供配套的短地线。可以考虑在信号与地之间并联一个0.1uf和一个10uf电容做去耦。电容的PIN脚的长短也影响了测试的值。
3 由于很多工程师对示波器的不了解，导致误操作，损坏示波器或电源之后还搞不清楚为什么
很多初级工程师在用多个探头测量电源的时候，刚一开机，电源产品就“炸机”，甚至损害示波器。他们会问我，示波器不是直接把探头接到要测试的元件之间吗？我好像没有接错啊，为什么会这样啊？那是由于对示波器的通道和地的接法不了解。示波器的多个探头在示波器内部是共地。所以在同时测量电源的原边和副边的时候，如果用一根探头接原边的地，另一个探头接副边的地，由于示波器的内部通道的地连接在一起，相当于把电源的原边和副边的地短路在一起了，然而原边和副边地之间是有电压差的，那么短路后的大电流容易烧坏产品和探头，甚至也可能损坏示波器。在测试原边和副边电压的时候应该一侧用差分探头，一侧用普通探头。 即使测试同一侧线路，探头的地线也要是共参考点。 示波器的地又是通过电源地连接的。很多公司基本上都会在示波器前面加一个隔离变压器，这种方法挺好。有些公司直接剪断电源三相地的PIN脚，那样没有接地，用手摸示波器机壳，漏电流会加大。建议不要这样使用。
其实问题还不止是这些，如在动态的应用，探头之间运算的应用，测试电压值注意的事项等。大家都知道示波器的功能很强大，几乎没有不使用示波器的电子工程师，所以自己在使用示波器的时候一定要多想想，多试验，多了解示波器的功能，内部选项键之间的差别，了解不同示波器参数对测量的影响，那样就能更好的帮助我们。不要只是为了完成任务，随意为之。认真做起，细心观察，这样我们的进步才会很大。经验是一步一步积累起来的。
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后参与讨论
　 08:51:09　
探头前面并0.1uF有点画蛇添足，高频成分被衰减或者测不到了，得到的结果基本上不能参考了。觉得这里表笔做好补偿就行了。
　 23:17:07　
貌似以前使用示波器时，操作还不是很正确 ~
准确测量、快速测量、愉悦测量、多角度分析与测量——示波器的艺术!
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去耦电容在芯片内部到底有什么用？
尖峰电流的形成：本文引用地址:
数字电路输出高电平时从电源拉出的电流Ioh和低电平输出时灌入的电流Iol的大小一般是不同的，即：Iol&Ioh。以下图的TTL与非门为例说明尖峰电流的形成：
输出电压如右图(a)所示，理论上电源电流的波形如右图(b)，而实际的电源电流保险如右图(c)。由图(c)可以看出在输出由低电平转换到高电平时电源电流有一个短暂而幅度很大的尖峰。尖峰电源电流的波形随所用器件的类型和输出端所接的电容负载而异。
产生尖峰电流的主要原因是：
输出级的T3、T4管短设计内同时导通。在与非门由输出低电平转向高电平的过程中，输入电压的负跳变在T2和T3的基极回路内产生很大的反向驱动电流，由于T3的饱和深度设计得比T2大，反向驱动电流将使T2首先脱离饱和而截止。T2截止后，其集电极电位上升，使T4导通。可是此时T3还未脱离饱和，因此在极短得设计内T3和T4将同时导通，从而产生很大的ic4，使电源电流形成尖峰电流。图中的R4正是为了限制此尖峰电流而设计。
低功耗型TTL门电路中的R4较大，因此其尖峰电流较小。当输入电压由低电平变为高电平时，与非门输出电平由高变低，这时T3、T4也可能同时导通。但当T3开始进入导通时，T4处于放大状态，两管的集-射间电压较大，故所产生的尖峰电流较小，对电源电流产生的影响相对较小。
产生尖峰电流的另一个原因是负载电容的影响。与非门输出端实际上存在负载电容CL，当门的输出由低转换到高时，电源电压由T4对电容CL充电，因此形成尖峰电流。
当与非门的输出由高电平转换到低电平时，电容CL通过T3放电。此时放电电流不通过电源，故CL的放电电流对电源电流无影响。
尖峰电流的抑制方法：
1、在电路板布线上采取措施，使信号线的杂散电容降到最小;
2、 另一种方法是设法降低供电电源的内阻，使尖峰电流不至于引起过大的电源电压波动;
3、 通常的作法是使用去耦电容来滤波，一般是在电路板的电源入口处放
一个1uF～10uF的去耦电容，滤除低频噪声;在电路板内的每一个有源器件的电源和地之间放置一个0.01uF～0.1uF的去耦电容(高频滤波电容)，用于滤除高频噪声。滤波的目的是要滤除叠加在电源上的交流干扰，但并不是使用的电容容量越大越好，因为实际的电容并不是理想电容，不具备理想电容的所有特性。
去耦电容的选取可按C=1/F计算，其中F为电路频率，即10MHz取0.1uF，100MHz取0.01uF。一般取0.1~0.01uF均可。
放置在有源器件傍的高频滤波电容的作用有两个，其一是滤除沿电源传导过来的高频干扰，其二是及时补充器件高速工作时所需的尖峰电流。所以电容的放置位置是需要考虑的。
实际的电容由于存在寄生参数，可等效为串联在电容上的电阻和电感，将其称为等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。这样，实际的电容就是一个串联谐振电路，其谐振频率为：
实际的电容在低于Fr的频率呈现容性，而在高于Fr的频率上则呈现感性，所以电容更象是一个带阻滤波器。
10uF的电解电容由于其ESL较大，Fr小于1MHz，对于50Hz这样的低频噪声有较好的滤波效果，对上百兆的高频开关噪声则没有什么作用。
电容的ESR和ESL是由电容的结构和所用的介质决定的，而不是电容量。通过使用更大容量的电容并不能提高抑制高频干扰的能力，同类型的电容，在低于Fr的频率下，大容量的比小容量的阻抗小，但如果频率高于Fr，ESL决定了两者的阻抗不会有什么区别。
电路板上使用过多的大容量电容对于滤除高频干扰并没有什么帮助，特别是使用高频开关电源供电时。另一个问题是，大容量电容过多，增加了上电及热插拔电路板时对电源的冲击，容易引起如电源电压下跌、电路板接插件打火、电路板内电压上升慢等问题。
PCB布局时去耦电容摆放
对于电容的安装，首先要提到的就是安装距离。容值最小的电容，有最高的谐振频率，去耦半径最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距离稍远，最外层放置容值最大的。但是，所有对该芯片去耦的电容都尽量靠近芯片。
下面的图1就是一个摆放位置的例子。本例中的电容等级大致遵循10倍等级关系。
还有一点要注意，在放置时，最好均匀分布在芯片的四周，对每一个容值等级都要这样。通常芯片在设计的时候就考虑到了电源和地引脚的排列位置，一般都是均匀分布在芯片的四个边上的。因此，电压扰动在芯片的四周都存在，去耦也必须对整个芯片所在区域均匀去耦。如果把上图中的680pF电容都放在芯片的上部，由于存在去耦半径问题，那么就不能对芯片下部的电压扰动很好的去耦。
电容的安装
在安装电容时，要从焊盘拉出一小段引出线，然后通过过孔和电源平面连接，接地端也是同样。这样流经电容的电流回路为：电源平面-&过孔-&引出线-&焊盘-&电容-&焊盘-&引出线-&过孔-&地平面，图2直观的显示了电流的回流路径。
第一种方法从焊盘引出很长的引出线然后连接过孔，这会引入很大的寄生电感，一定要避免这样做，这是最糟糕的安装方式。
第二种方法在焊盘的两个端点紧邻焊盘打孔，比第一种方法路面积小得多，寄生电感也较小，可以接受。
第三种在焊盘侧面打孔，进一步减小了回路面积，寄生电感比第二种更小，是比较好的方法。
第四种在焊盘两侧都打孔，和第三种方法相比，相当于电容每一端都是通过过孔的并联接入电源平面和地平面，比第三种寄生电感更小，只要空间允许，尽量用这种方法。
最后一种方法在焊盘上直接打孔，寄生电感最小，但是焊接是可能会出现问题，是否使用要看加工能力和方式。
推荐使用第三种和第四种方法。
需要强调一点：有些工程师为了节省空间，有时让多个电容使用公共过孔，任何情况下都不要这样做。最好想办法优化电容组合的设计，减少电容数量。
由于印制线越宽，电感越小，从焊盘到过孔的引出线尽量加宽，如果可能，尽量和焊盘宽度相同。这样即使是0402封装的电容，你也可以使用20mil宽的引出线。引出线和过孔安装如图4所示，注意图中的各种尺寸。
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接在电源线上的，应当是“氧化锌压敏电阻”。此元件的特点是：它有一个特定的电压，当它两端的电压小于此电压之时，它的电阻极大，而当它两端的电压大于此电压时，它的电阻急剧变小。一般用来做超压保护。当电源电压是220V，这时，此交流电的峰值是310V（是220V的根号2倍），选用350V到370V的压敏电阻。当电源电压正常时，它的电阻值极大，对电路没有影响；而当电源出现故障，电压突然升高，它的阻值变小，流过它的电流突然变大，此电流将电路中的保险丝烧断，保护了电路的主体。在彩电上，一般都有此元件。
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为什么数字电路中电源和地之间要冰凉那么多0.1uf的电容
我有更好的答案
属于退耦电容，数字电路中传递的都是脉冲波，动态很大，容易引起电源相应的波动，通过电源使电路各级之间相互干扰，严重的会出现逻辑功能紊乱等故障。所以每级之间都要在电源与地之间并联高频退耦电容，确保电路能正常工作。
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　　有许多同志在设计电路和制作PCB的过程中，对去耦电容的选择还是缺乏认识甚至是存在很大的盲目性。这里就涉及的问题谈谈一二。
　　利用去耦电容滤除电路板上电源的高频噪声是工程中常用的方法。好的高频去耦电容电路可去除高达1GHz的高频成分。设计印制电路板的时，每个集成电路的电源和地之间都要加一个去耦电容。通常，瓷介电容和多层瓷介电容的高频特性较好。
　　去耦电容一般作如下作用：
　　1）、旁路掉器件的高频噪声（在电源和地之间为高频噪声提供低阻抗通路）。一般而言，工作频率越高，电容值越大，则电容的阻抗越小。
　　2）、作IC的储能电容，利用电容充放电原理提供和吸收该IC开门关门瞬间的充放电能。
　　在实际应用中，数字电路中典型的0.1uF去耦电容有5nH的分布电感，并行共振频率约为7MHz（只对此频率一下的噪声有较好的去耦作用）。而1uF、10uF的电容，平行共振频在20MHz以上，去除高频噪声的效果要好些。在电源进入印制板的地方放置一个1uF或10uF的高频去耦电容往往是有利的，即使是电池供电的系统也需要这种电容。
每10片左右的IC要加一片充放电电容（蓄放电容），大小一般可选10uF。最好不用电解电容，因为电解电容是两层薄膜卷起来的，这种结构在高频是表示为电感，最好选用钽电容或聚碳酸酯电容。
　　去耦电容值的取法不严格，一般可按公式C=1/f计算。对于微控制系统选0.1uF～0.01uF即可。同时在高频电路中要尽量使用贴片式的。顺便提一下，在实际应用当中，并不是电容越大，对高速电路就越有利的，相反，小电容才能被应用于高频电路。原因涉及到电容的寄生参数（如等效串联电阻、等效串联电感、泄漏电阻、介质吸收电容、介质吸收电阻等）对滤波效果的影响问题。这里作简单说明一下：电容的谐振频率由其等效串联电感和容值C共同决定，这两者的变化都会影响电容的谐振频率。电容在谐振点附近的阻抗是最低的，故设计时尽量选择谐振频率和实际工作频率相近的电容为佳。若工作的频率变化范围很大，则可选择一些谐振频率较低的大电容和谐振频率较高的小电容并用。
此外，在设计过程中选择电容还得考虑电容的介电常数、绝缘性、温度特性、耐压等影响。在高速PCB板中对电容的处理可总结如下几点：
　　A.减少电容的引线或引脚的长度
　　B.尽量使用宽的连线
　　C.优先并尽量选用贴装的电容
　　D.电容要尽量靠近器件的电源引脚并与之直接相连
　　E.电容之间别共用过孔
　　F.电容的过孔要尽量靠近其焊盘（能打在焊盘上最佳）
　　简单而言就是要降低电感。
本文章摘自网友博客，原文地址为：http://yingsu.blog.ifeng.com
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