数字存储示波器在静电放电试验中的选用

作者/ 何进松1 蔡光跃1 邹铮2 1.上海电子信息职业技术学院通信与信息工程系(上海201411) 2.固纬电子(苏州)有限公司 (江苏 苏州 215011)

摘要：本文介绍了数字存储示波器及其带宽和采样率方面的知识，分析了数字存储示波器对静电放电试验中上升时间测量的影响，提出了具体的解决方法，对其它领域快速单次信号的测量有一定的指导意义。

引言

在数字存储示波器(DSO，Digital Storage Oscilloscope)还未大规模上市之前，静电放电电流及冲击电压的测量都采用功能比较复杂的模拟示波器来显示波形，再通过拍照来保存和分析波形。因而测量过程复杂、测量周期长、波形获得困难、测量结果的准确度较低。现代数字存储示波器，尤其是第三代示波器的推出使这些测量变得简单、快捷且准确，强大而丰富的触发功能使波形的攫取不再成为测量的难题，高速的采样率使测量的上升时间由纳秒级进入到亚皮秒级，甚至更快，强大的波形捕获率能提供更为详细的波形细节，丰富的测量功能可以同时得到被测信号的多种参数，大容量的记录长度、硬件拷贝功能以及远程电脑控制功能使测量结果的存储、分析等工作变得非常简单和直观。

第二代示波器即普通的DSO，内部的信号处理流程总体上讲是串行处理方式。输入信号要通过采样、量化、多路分解、存储和微处理器，最后通过显示存储器的处理送到显示器上显示波形。第三代示波器有别于第二代DSO，内部结构采用并行处理方式，所以有更快的波形处理能力和快速的波形捕获率，兼有模拟示波器和普通DSO的优点。由于数字存储示波器采用与模拟示波器完全不同的结构，最主要的是涉及采样定理、采样率等数字信号处理方面的概念。在静电放电试验的标准中，IEC1000-4-2标准确定的静电放电的上升时间tr为0.7ns至1ns，这相当于一个频率达350MHz至500MHz的高频信号。要准确测量如此高速上升的波形，要必须认真考虑示波器及其附件的选用。本文结合国际通行的静电放电(ESD，Electro-Static Discharge)模型，简要讨论了ESD试验中如何正确选用示波器及其附件。

1 示波器的带宽与采样率

按照示波器的发展历程，可将示波器大致划分为以下几类：第一代示波器，即模拟示波器，在数字存储示波器上市之前，是市场通用的观察波形的首选仪器;第二代示波器，即数字存储示波器，发展迅速，目前获得超过80%的使用者的青睐，将逐渐取代模拟示波器;第三代示波器也是数字存储示波器，它结合了前两代的优点，克服了两者的缺点，突出的优势在于可以通过幅度、时间和波形强度三维地观测信号;第三代示波器的核心并行处理技术目前只属于少数几家厂商，台湾固纬(GWINSTEK)公司的VPO(Visual Persistence Oscillosco)和美国泰克(Tektronix)公司的数字荧光示波器(DPO，Digital Phosphor Oscilloscope)、安捷伦(Agilent)公司的Infiniium等都属第三代示波器的典型;第四代示波器即取样示波器，它的特点在于测量重复频率较高的信号而且是非实时采样。以台湾固纬的第三代示波器VPO为例，它的特点已经集成了模拟示波器的余辉功能和数字存储示波器的实时采样功能。

模拟示波器直接利用被测信号来控制电子束的偏转，从而在荧光屏上击打出与信号变化相对应的波形，因此，模拟示波器能最真实地再现信号波形。然而，模拟示波器的缺点也是很明显的：精度低，测量能力弱;带宽受硬件限制不可能很高;触发功能薄弱，无预触发观测能力;显示闪烁并容易模糊。在慢扫描时具有严重的闪烁现象，薄弱的触发功能使其很难捕捉到单个脉冲信号，即使偶尔获得一个波形也只是从触发点之后的不完整波形，无法观测触发点之前的波形，因此，在慢波、冲击电压和静电放电电流测量中已基本被数字存储示波器所取代，尤其在ESD测试中，已经全面采用第三代示波器。

模拟示波器的带宽基本上取决于从信号输入端至偏转电极(或偏转线圈)之间硬件电路的频率特性，而数字存储示波器在带宽方面要复杂得多。同模拟示波器一样，无论哪一代数字存储示波器所能测量的信号最高频率都取决于包括测量探头在内的信号通道的模拟特性。数字存储示波器的带宽不是所能测试信号的最高频率，其定义为：输入的正弦信号衰减至真实幅值的70.7%(-3dB)的频率点。如图1。如果错误的理解为最高频率即为带宽，很容易导致示波器选用上的错误。

采样是将输入信号转化为离散值的过程，以便于存储，处理及显示。采样点的幅值等同于采样时刻输入信号的幅值。采样相当于对波形拍快照，每次只拍波形上某一时刻的特定点，然后将这些照片按照一定的顺序排列就能复原波形。采样按照原理的不