與大多數(shù)測試工具相同，現(xiàn)代數(shù)字存儲示波器 (DSO) 一直在不斷演進(jìn)，以滿足設(shè)計(jì)人員和測試工程師的需求，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)測量參數(shù)卻始終保持不變，因?yàn)閷τ诿媾R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)測量儀器，包括三種基本測量工具。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)間測量值。顯示格線或柵格是在示波器上出現(xiàn)的第一種測量工具。波形的測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 LeCroy HDO 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，來驗(yàn)證所要測量波形的基本假設(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)顯示相對于觸發(fā)點(diǎn)的絕對光標(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)。
測量參數(shù)
測量波形的最精確方法是使用示波器提供的自動(dòng)測量參數(shù)（圖 3）。
圖 3：顯示最多八個(gè)參數(shù)讀數(shù)的 Teledyne LeCroy HDO 4104A 示波器測量參數(shù)，包括統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和“直方圖”。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
Teledyne LeCroy 4104A 和 WaveSurfer 510 示波器提供 30 多個(gè)基本測量值，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)。
該示波器針對顯示波形的每個(gè)周期，對時(shí)序參數(shù)進(jìn)行測量。這種功能稱為“全實(shí)例”測量。振幅參數(shù)累加每次采集的單個(gè)值。測量表可以顯示每個(gè)測量參數(shù)的最新值，或者通過參數(shù)統(tǒng)計(jì)，顯示所有測量的歷史記錄。上圖顯示參數(shù)統(tǒng)計(jì)處于打開狀態(tài)。可用參數(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)。
還可以打開直方圖，以顯示每個(gè)參數(shù)的測量值的分布。統(tǒng)計(jì)和直方圖有助于我們了解參數(shù)值在多次測量中的變化。
趨勢函數(shù)可讓我們進(jìn)一步了解測量值的變化。趨勢函數(shù)可按照測量的順序，繪制測量參數(shù)值圖。垂直軸單位與測量單位相匹配，水平值是測量順序編號（圖 4）。
圖 4：調(diào)頻正弦波的瞬時(shí)頻率趨勢圖示例。每個(gè)周期都測量頻率，數(shù)學(xué)軌跡 F1 中值的繪制順序按照測量順序。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
采集的信號為調(diào)頻正弦波；信號頻率逐周期測量，并在數(shù)學(xué)軌跡 F1 中繪制為趨勢圖。趨勢圖的垂直軸以赫茲 (Hz) 為單位，而水平軸則為測量順序編號。趨勢圖可能有 20 至 1,000,000 個(gè)點(diǎn)，級數(shù)為 1-2-5。這些趨勢圖與源軌跡同步，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。如果沒有足夠的可用數(shù)據(jù)，則讀數(shù)為空白。
這些測量可以設(shè)定門限，這樣只有在用戶定義的測量門限之內(nèi)的數(shù)據(jù)才包括在測量中。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)信號波形共享相同的信號路徑的情況下，對數(shù)據(jù)總線進(jìn)行分析?？梢栽O(shè)定測量門限，使得測量只針對所需的模式進(jìn)行。
脈沖測量基于 IEEE 181 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，脈沖測量必須應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析，以最大程度減少噪聲對脈沖波形測量的影響（圖 5）。
圖 5：IEEE 181 標(biāo)準(zhǔn)脈沖測量直方圖示例。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確定脈沖振幅的影響。因此，周期、寬度、過沖、上升時(shí)間和下降時(shí)間都可以得到更加精確的計(jì)算。
如果直方圖無法顯示兩個(gè)不同的峰值，則示波器將通過狀態(tài)圖標(biāo)來指示波形不是脈沖，振幅測量的依據(jù)是最大值減去最小值或峰峰值。
其他專門測量基于類似的行業(yè)測量標(biāo)準(zhǔn)。
下面還有一個(gè)有用的表格，列出了 Teledyne LeCroy HDO 系列示波器的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。該表格對測量參數(shù)提供了很好的定義，具有很大的參考價(jià)值：
| Amplitude/振幅 |
| 雙峰信號的峰值和谷值之間的差，如果不是雙峰信號，則為最大值 - 最小值 |
| Area/面積 |
| 波形下方的面積 |
| base/基底 |
| 雙峰波形中較低最可能狀態(tài)的值 |
| Delay/延時(shí) |
| 觸發(fā)與 50% 振幅處第一邊沿之間的時(shí)間 |
| Δ period@level |
| 波形中每個(gè)周期的相鄰周期偏差（周期之間的周期抖動(dòng)） |
| Δ time@level |
| 兩個(gè)波形之間的可選電平之間的時(shí)間 |
| Duty cycle/占空比 |
| 寬度占周期的百分比 |
| Duty@level |
| 選定電平處的占空比抖動(dòng) |
| Edges@level |
| 波形中的邊沿?cái)?shù) |
| Fall time/下降時(shí)間 |
| 下降沿從 90% 到 10% 的持續(xù)時(shí)間 |
| Fall 80 - 20% |
| 下降沿從 80% 到 20% 的持續(xù)時(shí)間 |
| Frequency/頻率 |
| 信號中 50% 電平處的每個(gè)周期的頻率 |
| Freq@level |
| 波形中每個(gè)周期的特定電平和斜率處的頻率 |
| Maximum/最大值 |
| 測量波形的最高點(diǎn) |
| Mean/平均值 |
| 輸入信號中的所有數(shù)據(jù)值的平均值 |
| Minimum/最小值 |
| 測量波形的最低點(diǎn) |
| Overshoot?/負(fù)過沖 |
| 下降沿之后的過沖量，以振幅的百分比表示 |
| Overshoot+/正過沖 |
| 上升沿之后的過沖量，以振幅的百分比表示 |
| Peak to peak/峰峰值 |
| 波形中最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的差 |
| Period/周期 |
| 所測量周期性信號的周期，以 50% 電平之間的時(shí)間表示 |
| Period@level |
| 波形中每個(gè)周期的特定電平和斜率的周期 |
| Phase/相位 |
| 兩個(gè)選定信號之間的相位差 |
| Rise/上升 |
| 上升沿從 10% 到 90% 的持續(xù)時(shí)間 |
| Rise 20 - 80% |
| 上升沿從 20% 到 80% 的持續(xù)時(shí)間 |
| RMS |
| 數(shù)據(jù)的均方根值 |
| Skew/偏移 |
| clock1 邊沿的時(shí)間減去最近的 clock2 邊沿的時(shí)間 |
| Standard deviation/標(biāo)準(zhǔn)差 |
| 光標(biāo)之間數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差 |
| Time@level |
| 在指定電平下從觸發(fā)到邊沿的時(shí)間 |
| Top/基頂 |
| 兩種最可能狀態(tài)中的較高者，較低者為基底 |
| Width +/正脈寬 |
| 50% 交叉處的正脈沖寬度 |
| Width -/負(fù)脈寬 |
| 50% 交叉處的負(fù)脈沖寬度 |
這些測量參數(shù)都有清晰的定義，并且自動(dòng)執(zhí)行，精度高于其他測量技術(shù)可能達(dá)到的精度。
總結(jié)
示波器上的自動(dòng)測量參數(shù)提供最精確的測量，而光標(biāo)則提供更高的測量靈活性。例如，使用光標(biāo)可以非常簡單地測量脈沖群的持續(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)行基本測量的最快捷方法，非常適合用于快速驗(yàn)證測試設(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，可以幫助設(shè)計(jì)人員縮短所需的測試時(shí)間
