本文是其中的一部分的TechXchange：示波器的技术
本文发表于微波和射频并经允许在此发表。
你将学习:
- 记住基本原则，在测量时练习情境意识。
- 它不仅使用了正确的探针，而且使用了正确的探针。
- 消除测量工件是棘手的，但不是不可能的。
示波器是进行功率完整性(PI)测量的必要工具，但为了有效地应用它，您需要对环境进行感知。要了解示波器的特性、信号特性和潜在的测量干扰，这些干扰可能会阻碍你对真实信号的观察。主要范围功能包括带宽、采样率、时基、垂直尺度、输入阻抗、通道带宽和探针带宽。
在示例微控制器板上的测量演示演示了6个技巧，您可以将它们应用到自己的PI调试任务中。除了示波器，您还需要高性能探头，并能够为您的应用选择最佳版本，包括10倍无源、动力轨、近场、电流和差分探头。
技巧1:充分利用你的10倍被动探针
10倍无源探针是大多数示波器测量的主力探针。你要做的第一件事是在你的10倍无源探针上应用颜色带，与相应的示波器跟踪的颜色相匹配，以跟踪你所测量的东西。如果使用多个探测，很容易混淆哪个探测测量哪个位置，从长远来看，颜色编码可以节省时间。
如果你正在探测一个正在测试的电路，并期望看到一个方波，但却看到了其他的东西，不要认为问题必然在于你的电路。检查你的10倍被动探测器的补偿。基本上，您的10倍无源探头包括9-MΩ电阻与10-pF分流电容。探头和示波器一起对感兴趣的信号提供一个高通和一个低通滤波器。
补偿确保两个滤波器的极点对齐的最佳测量性能。在进行补偿时，将探针的尖端连接到示波器的COMP信号，然后在示波器连接的探针电缆附近进行调整，得到一个平坦的响应，如图所示图1(最近的一次网络研讨会1提供它的视频和本文中描述的其他演示)。
许多异常可能是测量工件，不能代表您正在研究的电路的性能。图2显示一个微控制器板数字输出，从0过渡到1(黄色)和一个安静的信号应该保持低(红色)。过渡信号上的振铃和安静信号上产生的串扰是由长而松软的电线的回路电感引起的(见附图2)用于制作10x无源探头信号和接地。
在你的探针上使用低电感弹簧尖端消除电线也消除了他们造成的铃声和串扰(图3)．在设计电路板时，提供足够的测试点和依据以适应探针提示是一个很好的测试设计实践。
提示2:对电轨测量使用直流耦合
如果你在寻找一个5-V电力轨道上的噪音的小变化，你可能倾向于使用交流耦合。它可以让你放大和缩小信号，而不必每次改变垂直比例时在屏幕上重新定位轨迹。然而，当你这样做的时候，你会丢失关于缓慢漂移或其他变化的信息，因为所有低于10赫兹的信息都会被过滤掉。
幸运的是，您可以采用一种技巧，方便地使用直流耦合，而无需不断重新定位。不同的示波器制造商有不同的特性，但在很多方面Teledyne LeCroy示波器，你使用屏幕菜单导航，从实用程序，首选项，获取，并呈现两个选项:偏移设置常数:伏或Div(图4)．如果您选择伏特并将信号居中，那么当您扩大垂直刻度以放大查看时钟边缘噪声或轨道上的其他干扰时，您的信号将保持居中。
提示3:使用导轨探头测量开关噪声
当查看电力轨时，考虑使用轨道探头，如Teledyne LeCroy RP4030。RP4030是一种4 ghz，直流耦合有源探头，用于测量电力轨道的低阻抗，但具有高信噪比(SNR)和高带宽的优点。
与10倍被动探头一样，轨道探头包括两条路径。首先是一个高频的无源交流耦合路径，就像一个极频约10到100 kHz的高通滤波器。第二个路径由两个反相放大器和一个16位数模转换器(DAC)组成，可以实现精确的偏移控制。这条路径和示波器的输入阻抗一起作为一个低通滤波器，再次，有必要对齐高通滤波器和低通滤波器的极点，以获得平坦的响应。
请注意，钢轨探头在低频时具有非常高的阻抗，以最小化钢轨上的直流负载。对于高频，轨道探头匹配示波器输入的50-Ω阻抗，以最小化反射。图5显示用轨道探头(蓝色轨迹)测量的噪声信号，与用10倍无源探头(红色轨迹)进行的相同测量重叠。轨道探头提供了一个清洁，高保真的视图时钟边缘噪声在董事会的动力轨道上。
提示4:使用近场探头定位电磁干扰问题
在预遵从性测试中寻找潜在的电磁干扰问题时，选择近场探头。请注意，近场探针本质上是一个低阻抗环路，所以要注意将其连接到一个50-Ω的示波器输入端——而不是1-MΩ输入端——以防止反射和振铃。此外，当探测一个微控制器板时，一个有用的技术是触发一个开关I/O信号的示波器，这样观察到的波形将与微控制器的时钟同步。
图6显示了两块微控制器板的叠加底部近场探测结果。这些电路板有着完全相同的电路，运行着完全相同的代码，但其中一块电路板的布局非常出色，有一个铜倒回机，正如最近发布的一本教科书中所描述的那样。2
如图所示，近场辐射几乎无法测量的板与优越的布局(红色痕迹)。然而，对于另一块板(粉色线)来说，它们也很重要，证明了使用良好的回路控制可以显著减少近场辐射。
提示5:使用电流探头寻找接地回路
一个高灵敏度的电流探头可以帮助测量在USB电缆和其他外部连接中发现的普通地环电流。例如，这些电流可以由连接到单片机演示板的多个仪器的不同接地电位产生。如果在演示板或连接到演示板上的设备之间的切换导致了地面电位差，则它们会迅速波动。
该演示利用了Teledyne LeCroy CP031A夹紧式电流探头。它包含一个霍尔效应传感器和一个拾取线圈，使电流测量从直流到100 MHz，从毫安到30 a。
所示图7在美国，一根连接PC的USB电缆为微控制器板供电，而不携带数据。PC机反过来通过一个三脚插头连接到地面。
通过这种设置，USB连接线中没有共同的电流流。然而，将微控制器板上的接地针与插在墙上的另一个外部设备的接地可以导致共同电流达到75 mA。只有5ma需要通过FCC第15部分B类测试。如果您有多个连接的外部设备，每个设备都有自己的接地连接，那么电流探头对于查看可能发生的共同电流是有用的。
提示6:使用差动探针检查微控制器的电流
为了实时测量微控制器的实际电流，使用了一个差分探针。首先，在电源轨道的串联路径上插入一个感应电阻，例如0.5 Ω-in，然后测量它对面的电压。您可以使用两个单端探头，一个用于测量电阻的每一侧接地的电压。然而，这将涉及从另一个大数字减去一个，以获得通过电阻的电压，这可能会引入不准确性。
相反，使用差动探头，它被设计用来测量小的电压差和大的普通直流偏置。您可以使用差动探头和感应电阻来测量涌流以及稳态电流。
要查看涌流，请将示波器的触发器设置为正常模式，这是用来查看瞬态信号的。图8在涌流期间，在检测电阻上显示超过2v，表明当演示板的去耦电容充电时，涌流电流超过4a。在施加功率约200毫秒内，电流接近其稳态值。
为了详细研究稳态电流图，触发示波器在过渡信号上寻找异常，如果有异常，可能与微控制器时钟同步。
总结
总之，请记住，进行测量是很容易的，但是如果没有人为因素，就很难这样做。实践的态势感知。确保为正确的应用程序使用正确的探针。尽可能使用10倍无源探头，低电感接地。然后使用轨道探头进行高带宽和信噪比要求的测量，使用近场探头进行预遵从性EMC测试，转电流探头测量共电流，使用带串联电阻的差动探头测量涌流和稳态电流。
本文使用8-GHz、4通道Teledyne LeCroy WavePro HD示波器进行测量。该仪器的一些相关规格包括12位垂直分辨率，20-GS/s采样率和5-GS采集内存。
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参考文献
1.Bogatin,埃里克,在本次网络研讨会中，您将了解有关电源完整性调试的5个技巧, Teledyne LeCroy
2.Bogatin,埃里克,博加廷的原型面包板和PCB设计实践指南， Artech House, 2021年。
