谈示波器第二回——模拟和数字示波器测试性能的具体表现

上一回简单回顾了示波器的历史，以及对模拟和数字示波器的优缺点做了一个简单对比。这是我头回试着写连载，发了第一回后就一直酝酿着写下一回。其间跟几个模拟示波器的高手进行了讨论，并给一个朋友试讲了模拟和数字示波器在测试方面的区别，甚至准备在CEF上向至今仍在生产模拟示波器的厂商讨教，但是这一回像《越狱》第四季的17集一样迟迟不能推出，有负于众多关注这个话题的读者。

这一回主要讨论模拟和数字示波器在测试方面的具体表现，并给出适用的场合，以便大家在测试的时候做出恰如其分的选择。此处选择的模拟示波器是日立的V252，这个款示波器的保有量非常的大，最早的型号是V212，国内厂商多有仿制，日立（Hitachi)也是迄今为止仍在生产模拟示波器的厂商。数字示波器是泰克TDS3000系列中的TDS3014，TDS3000的经典性也是毋庸多疑，国内工程师也多有接触。TDS3000系列自从1994年首次发布，一直到今天仍在服役，并诞生了DPO的概念，但值得注意的是此DPO指的是软件模拟的，更多指的是模拟余晖，与大家熟悉的采用了DPX芯片的DPO不是一个概念。

测试前的准备
模拟示波器由于没有自校准功能，所以每次在使用之前最好进行一下简单的校正，除非这个示波器是你正在使用的，没有别人动过。具体做法是连接面板上1kHz@0.5V的校准信号，调节水平档位的时基旋钮到1mS或者0.5mS，再调整SWP VAR使得校准信号的一个周期正好占据屏幕上的1格（1mS/div）或2格（0.5mS/div）。然后调整Position 旋钮使得基线占据整个窗口，也可以右移使得扫描起点也就是触发点从屏幕的中心开始。由于V252没有Autoset功能，所以要设置合适的触发电平，使得波形稳定显示。
注意，刚出厂的示波器厂商已调整过，一般不需调整，但二手或者工作场所在地理空间上比较大的变化的时候需要重新校准。
数字示波器每次开机时，都会进行自检和自校正，所以水平时基不需要手动校准。但无论是哪种示波器在使用探头时都要进行补偿，因为每台示波器需要的补偿电容都是不一样的。

测量小信号
虽然示波器不是测试小信号的最佳选择，但在测试传感器之类的信号时，往往会遇到mV级的信号，虽然为了提供信噪比，并将mV级的信号放大到示波器便于测试的水平，比如放大10被到10mV级，但能不加放大器而直接观测当然最好不过。下面就来看看两种示波器的表现。


如图所示，待测信号为一 5MHz@5mVpp的正弦，信号源和示波器之间采用BNC连接。TDS3014设置为自动余晖，但基线依然非常粗糙，基线的Vpp值超过1mV，而V252的波形则非常干净。V252的最小时基0.2uS，此处使用了x10 MAG功能，将水平扫描速度放大10倍，时基扩展后设置为5nS/div，同样的垂直分辨率最小只有5mV/div，也使用了x5 Gain 功能，扩展到1mV/div。
由于模拟示波器比起数字示波器来不易耦合噪声，或者说没有数字示波器那么灵敏，更加适合测试小信号，尤其是mV级信号，这也是众多Hifi发烧友钟情于模拟示波器的原因之一。

测量方波
示波器的带宽是按正弦波定义的，但方波含有丰富的谐波，一般测试方波至少要测到5次谐波，测试方波所需带宽更准确的计算方法是看上升沿。
Bw=0.35/Tr
上述公式适用于带宽1GHz以下的，采用高斯响应的示波器。


如图所示待测信号为5MHz@5Vpp，上升沿约18nS的方波，5次谐波是25MHz，用上升沿计算得出的带宽为19.4MHz，V252的带宽为20MHz，刚能满足要求。 可以看得出V252显示的波形上下过冲更小，上升沿跟TDS3014的一样。值得注意的时，由于V252的水平时基位于0.2uS/div时，标明MAG UNCAL，所以此时的时基不是非常准确。

再来一张，多个周期，TDS3014显示方波的过冲要比V252明显的多。

测量GND耦合
几乎所有示波器的通道耦合都有GND，顾名思义，GND时将输入直接接地，此时可以查看基线的垂直位置，理想示波器的基线是位于0电平的一条直线。但事实上当连接输入信号时，GND往往会耦合输入通道上的信号，使得GND耦合不再是一条直线。所有做过高速电路的人几乎都有这个经验，地噪声或者叫地弹是不容忽视的因素。

输入5MHz@5Vpp 正弦波，选择5V是数字电路中常见的CMOS电平也是5V。TDS3014只有不到20mVpp的噪声，而V252则超过了40mVpp。

输入5MHz@5Vpp的方波。TDS3014显示的噪仍然不超过20mVpp，而V252则不但超过了100mVpp,而且波形不再是方波。

输入3MHz@5Vpp的脉冲，TDS3014地上耦合的噪声达到36mVpp，但波形仍然是脉冲。V252地上耦合的噪声不大达到了近100mVpp，而且变成了类似Burst的波形。

测试相位
利用李萨茹图形，示波器可以方便的测出两个信号之间的相位差。CH1（x）CH2（y）输入2个频率相同，但相位不一样的信号。

注意，V252的图形看上去比TDS3014干净的多，但实际上是由于信号变化的很快，而且V252没有无线余晖功能，所以图中不出来变化，但实际测试的时候，留意看，还是可以看到一闪而过的信号轨迹。抛第一个问题，请问，这个波形的表示的相位是多少？


跟上图一样，虽然图中反映不出来，但留意观察，仍然能在V252上看到原中央一闪而过的轨迹。这也是普通模拟示波器的一个显著缺点，虽然有余晖，但不能保持，也不能长到让人观察清楚快速变化的信号。