现代示波器高级应用——测试及使用技巧 epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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编辑推荐

　　本书深入剖析了现代示波器的架构，并通过近百个经典案例及精美插图，展示了现代示波器在实战中的应用技巧。这里不是简单讲如何操作使用，而是为了帮助您洞悉问题本质。

　　本书素材来源于作者十多年来的积累，根据一线工程师实际使用示波器的问题，结合典型应用场景，全面、系统地讲述了现代示波器在各种复杂场合的测试和使用方法。

　　希望通过本书的介绍，使得广大工程师朋友们能够更好地理解和应用现代数字示波器的高级功能，以发挥这种*常用的电子测量工具对于电路调试和分析的效用。

内容简介

　　示波器是*广泛使用的电子测量仪器。经过近一个世纪的持续技术革新，现代数字示波器已经是结合了*新材料、芯片、计算机、信号处理技术的复杂测量系统。

　　本书结合笔者近20年实际应用经验，对现代数字示波器的原理、测量方法、测量技巧、实际案例等做了深入浅出的解读和分析。

　　本书分为三大部分： 第1~8章介绍现代测量仪器的发展、数字示波器原理、主要指标、测量精度、探头分类及原理、探头对测量的影响、触发条件、数学函数功能等内容； 第9~19章结合实际案例，介绍示波器在信号完整性分析、电源测试、时钟测试、射频测试、宽带信号解调、总线调试、芯片测试中的实际应用案例； 第20~29章侧重高速总线的一致性测试，介绍数字总线，如PCIe 3.0/4.0、SATA、SAS 12G、DDR3/4、10G以太网、CPRI接口、100G背板、100G光模块、400G以太网/PAM4信号的原理及测试方法。

　　本书可帮助从事高速通信、计算机、航空航天设备的开发和测试人员深入理解及掌握现代数字示波器的使用技能，也可供高校工科电子类的师生做示波器、电路测试方面的教学参考。

作者简介

李凯，毕业于北京理工大学光电工程系，硕士学位，中国电子学会高级会员，曾在国内知名通信公司从事多年数据通信及基站研发工作，对于通信、计算机等行业有深入认知，对信号完整性、嵌入式系统、高速总线、可编程逻辑、时钟、电源等电路的设计和测试有深刻理解。2006年加入安捷伦公司电子测量仪器部（现Keysight公司），负责高速测试仪器（如示波器、误码仪等）的应用和研究，长期和一线电子工程师有密切接触。作为高速测试领域的专家，李凯利用业余时间撰写了大量关于测量原理及方法的文章，并发布在《国外电子测量技术》《电子工程专辑》等专业杂志，同时在EDN China网站（现“面包板”社区）开设有技术博客及微信公众号“数字科技”。

目录

一、 现代测量仪器技术的发展

二、 示波器原理

1. 模拟示波器

2. 数字存储示波器

3. 混合信号示波器

4. 采样示波器

5. 阻抗TDR测试

三、 数字示波器的主要指标

1. 示波器的带宽

2. 示波器的采样率

3. 示波器的内存深度

4. 示波器的死区时间

四、 示波器对测量的影响

1. 示波器的频响方式

2. 示波器带宽对测量的影响

3. 示波器的分辨率

4. 示波器的直流电压测量精度

5. 示波器的时间测量精度

6. 示波器的等效位数

7. 示波器的高分辨率模式

8. 示波器的显示模式

五、 示波器探头原理

1. 探头的寄生参数

2. 高阻无源探头

3. 无源探头常用附件

4. 低阻无源探头

5. 有源探头

6. 差分有源探头

7. 有源探头的使用注意事项


8. 宽温度范围测试探头

9. 电流测量的探头

10. 光探头

六、 探头对测量的影响

1. 探头前端对测量的影响

2. 探头衰减比对测量的影响

3. 探头的校准方法

4. 探头的负载效应

5. 定量测量探头负载效应的方法

七、 使用触发条件捕获信号

1. 示波器触发电路原理

2. 示波器的触发模式

3. 边沿触发

4. 码型触发

5. 脉冲宽度触发

6. 毛刺触发

7. 建立/保持时间触发

8. 跳变时间触发

9. 矮脉冲触发

10. 超时触发

11.连续边沿触发

12. 窗口触发

13. 视频触发

14. 序列触发

15. 协议触发

16. 高速串行触发

17. 高级波形搜索

八、 示波器的数学函数

1. 用加/减函数进行差分和共模测试

2. 用Max/Min函数进行峰值保持

3. 用乘法运算进行功率测试

4. 用XY函数显示李萨如图形或星座图

5. 用滤波器函数滤除噪声

6. 用FFT函数进行信号频谱分析

7. 用Gating函数进行信号缩放

8. 用Trend函数测量信号变化趋势

9. 使用MATLAB的自定义函数

九、 高速串行信号质量分析

1. 显示差分和共模信号波形

2. 通过时钟恢复测试信号眼图

3. 进行模板测试

4. 失效bit定位

5. 抖动分析

6. 抖动分解

7. 通道去嵌入

8. 通道嵌入

9. 信号均衡

10. 均衡器的参数设置

11. 预加重的模拟

十、 电源完整性测试

1. 电源完整性测试的必要性

2. 电源完整性仿真分析

3. DC�睤C电源模块和PDN阻抗测试

4. DC�睤C电源模块反馈环路测试

5. 精确电源纹波与开关噪声测试

6. 开关电源功率及效率分析

7. 电源系统抗干扰能力测试

十一、 电源测试常见案例

1. 交流电频率测量中的李萨如图形问题

2. 电源纹波的测量结果过大的问题

3. 接地不良造成的电源干扰

4. 大功率设备开启时的误触发

5. 示波器接地对测量的影响

十二、 时钟测试常见案例

1. 精确频率测量的问题

2. GPS授时时钟异常状态的捕获

3. 光纤传感器反射信号的频率测量

4. 晶体振荡器频率测量中的停振问题

5. PLL的锁定时间测量

6. 时钟抖动测量中RJ带宽的问题

7. 时钟抖动测量精度的问题

8. 如何进行微小频差的测量

十三、 示波器能用于射频信号测试吗？

1. 为什么射频信号测试要用示波器

2. 现代实时示波器技术的发展

3. 现代示波器的射频性能指标


4. 示波器射频指标总结

十四、 射频测试常用测试案例

1. 射频信号时频域综合分析

2. 雷达脉冲的包络参数测量

3. 微波脉冲信号的功率测量精度

4. FFT分析的窗函数和栅栏效应

5. 雷达参数综合分析

6. 跳频信号测试

7. 多通道测量

8. 卫星调制器的时延测量

9. 移相器响应时间测试方法

10. 雷达模拟机测量中的异常调幅问题

11. 功放测试中瞬态过载问题分析

12. 复杂电磁环境下的信号滤波

13. 毫米波防撞雷达特性分析

十五、 宽带通信信号的解调分析

1. I/Q调制简介

2. I/Q调制过程

3. 矢量信号解调步骤

4. 突发信号的解调

5. 矢量解调常见问题

6. 超宽带信号的解调分析

十六、 高速数字信号测试中的射频知识

1. 数字信号的带宽

2. 传输线对数字信号的影响

3. 信号处理技术

4. 信号抖动分析

5. 数字信号测试中的射频知识总结

十七、 高速总线测试常见案例

1. 卫星通信中伪随机码的码型检查

2. 3D打印机特定时钟边沿位置的数据捕获

3. VR设备中遇到的MIPI 信号测试问题

4. AR眼镜USB拔出时的瞬态信号捕获

5. 区分USB总线上好的眼图和坏的眼图

6. 4K运动相机的HDMI测试问题

7. SFP+测试中由于信号边沿过陡造成的DDPWS测试失败

8. USB 3.1 TypeC接口测试中的信号码型切换问题

十八、 芯片测试常用案例

1. 高速Serdes芯片功能和性能测试

2. 高速ADC技术的发展趋势及测试

3. 二极管反向恢复时间测试

4. 微封装系统设计及测试的挑战

十九、 其他常见测试案例

1. 如何显示双脉冲中第2个脉冲的细节

2. 示波器的电压和幅度测量精度

3. 不同宽度的脉冲信号形状比较

4. 超宽带雷达的脉冲测量

5. 通道损坏造成的幅度测量问题

6. 对脉冲进行微秒级的精确延时

7. 探头地线造成的信号过冲

8. 探头地线造成的短路

9. 阻抗匹配造成的错误幅度结果

10. 外部和内部50Ω端接的区别

11. 低占空比的光脉冲展宽问题

12. 如何提高示波器的测量速度

13. 计算机远程读取示波器的波形数据

二十、 大型数据中心的发展趋势及挑战

二十一、 PCIe 3.0测试方法及PCIe 4.0展望

1. PCIe 3.0 简介

2. PCIe 3.0 物理层的变化

3. 发送端信号质量测试

4. 接收端容限测试

5. 协议分析

6. 协议一致性和可靠性测试

7. PCIe 4.0标准的进展及展望

二十二、 SATA信号和协议测试方法

1. SATA 总线简介

2. SATA 发送信号质量测试

3. SATA 接收容限测试

4. SATA�睧xpress（U.2/M.2）的测试

二十三、 SAS 12G总线测试方法

1. SAS总线概述

2. SAS的测试项目和测试码型

3. SAS发送端信号质量测试

4. SAS接收机抖动容限测试

5. SAS互连阻抗及回波损耗测试方案

二十四、 DDR3/4信号和协议测试

1. DDR 简介

2. DDR信号的仿真验证

3. DDR 信号的读写分离

4. DDR 的信号探测技术

5. DDR 的信号质量分析

6. DDR 的协议测试

二十五、 10G以太网简介及信号测试方法

1. 以太网技术简介

2. 10GBASE�睺/MGBase�睺/NBase�睺的测试

3. XAUI和10GBASE�睠X4测试方法

4. SFP+/10GBase�睰R接口及测试方法

二十六、 10G CPRI接口时延抖动测试方法

1. 4G基站组网方式的变化

2. CPRI接口时延抖动的测试

3. 测试组网

4. 时延测试步骤

5. 抖动测试步骤

6. 测试结果分析

7. 测试方案优缺点分析

二十七、 100G背板性能的验证

1. 高速背板的演进

2. 100G背板的测试项目

3. 背板的插入损耗、回波损耗、阻抗、串扰的测试

4. 背板传输眼图和误码率测试

5. 发送端信号质量的测试

6. 100G背板测试总结

二十八、 100G光模块接口测试方法

1. CEI测试背景和需求

2. CEI��28G�睼SR测试点及测试夹具要求

3. CEI��28G�睼SR输出端信号质量测试原理

4. CEI��28G�睼SR输出端信号质量测试方法

5. CEI��28G�睼SR输入端压力容限测试原理

6. CEI��28G�睼SR接收端压力容限测试方法

7. 100G光收发模块的测试挑战

8. 100G光模块信号质量及并行眼图测试

9. 100G光模块压力眼及抖动容限测试

二十九、 400G以太网 PAM��4信号简介及测试方法

1. 什么是PAM��4信号？

2. PAM��4技术的挑战


3. PAM��4信号的测试码型

4. PAM��4发射机电气参数测试


5. PAM��4的接收机容限及误码率测试

精彩书摘

　　三、数字示波器的主要指标

　　1.示波器的带宽

　　带宽是示波器最重要的一个指标，它决定了这台示波器测量高频信号的能力。前面我们介绍过，示波器的带宽主要由前端的放大器等模拟器件的特性决定。对于一般的放大器来说，其增益不可能在任何频率下都保持一样，示波器中使用的放大器也是如此。示波器中的放大器的工作频点是从直流开始的，其增益随着输入信号的频率增高会逐渐下降。一般把放大器增益下降-3dB对应的频点称为这个放大器的带宽，示波器的带宽也是用同样方法定义的。图3.1是示波器带宽定义的示意图。

　　图3.1示波器带宽的定义

　　对于一台标称带宽为1GHz的示波器，假设输入一个标准的50MHz、1V峰峰值的正弦波信号，在示波器上测量到的信号幅度为A；然后将输入信号的幅度保持不变，频率逐渐增加到1GHz，这时在示波器上测量到的信号幅度为B。如果20lg(B/A)的计算结果没超过-3dB(例如为-2.8dB)，这台示波器就是合格的，否则就是不合格的。对于示波器的带宽检定通常使用的也是这种方法。

　　需要注意的是，-3dB是按信号功率计算的，相当于信号的功率增益下降1/2。示波器实际测量的是电压信号，功率与电压的平方成正比，所以-3dB相当于示波器电压的增益随着频率的增加下降到原来的0.707倍。因此，对于一个50MHz、1V峰峰值的正弦波信号，用1GHz带宽的示波器测量到的幅度应该是1V左右，而如果被测信号的幅度不变但是频率增加到1GHz，这时测量到的信号幅度可能只有0.7V左右了。

　　从前面的例子可以看出，示波器并不是对带宽内的所有频率信号都保持相同的测量精度的，被测信号频率越接近带宽附近，测量结果的幅度误差越大，如果这个幅度误差超过了可以接收的范围，就要考虑用更高带宽的示波器进行测量。另外示波器也不是绝对不可以对超过带宽的信号进行测量，如果被测信号的频率只是稍微超过了示波器的带宽，虽然信号的衰减会比较大，但大概的频率、周期等时间信息还是比较准确的(对正弦波信号)。

　　至于具体某个频点的衰减是多大，需要准确知道示波器的频响曲线。一般示波器厂商在公开的场合只会提供带宽指标而没有具体的频响曲线，如果确实需要，可以通过用微波信号源配合功率计扫描得到这条曲线。

　　示波器的带宽主要取决于前端的衰减器和放大器的带宽，因此大的示波器厂商都有自己特有的技术来实现高的带宽。以Keysight公司为例，其33GHz的示波器前端芯片采用InP(磷化铟)的高频材料，并使用了MCM(Multi�睠hipModule)的多芯片封装技术，打开其MCBGA(多芯片BGA)芯片的屏蔽壳后(见图3.2)，可以看到其内部主要由5片InP材料的芯片采用三维工艺封装而成。其中包含2片33GHz带宽InP材料做成的放大器，可以同时支持2个通道的信号输入；2片InP材料做成的触发芯片以及1片InP材料做成的80GSa/s的采样保持电路；所有芯片采用快膜封装技术封装在一个密闭的屏蔽腔体内。

　　图3.2采用InP材料的示波器前端芯片

　　随着信号频率和数据速率的提高，对于示波器带宽的需求越来越高。如果没有能力设计高带宽的放大器前端，或者现有的硬件技术无法提供足够高的带宽时，有时会采用一些其他的方式来提升带宽，其中常用到的是DSP带宽增强和频带交织技术。

　　DSP带宽增强技术实际上是一种数字DSP处理技术。采用数字DSP处理技术的初衷并不是为了增强带宽，而是为了进行频响校正。一般宽带放大器在带内各个频点的增益不一定是完全一致的，所以宽带放大器通常会有一个带内平坦度指标衡量增益的波动情况。通过用数字技术补偿频响波动可以在带内获得比较平坦的频响曲线，获得更准确的测量结果。进一步地，为了充分利用带宽以外频点的能量，可以通过数字处理技术把带宽以外一部分频率成分的能量增强上去，这样-3dB对应的频点就会右移，相当于带宽提高了。图3.3显示了带宽增强对系统频响特性的改变。带宽增强技术在提高带宽的同时也会提升系统的高频噪声，所以这种技术虽然提高了带宽，但增加了噪声。带宽增加越多，噪声的放大比例越大。因此，带宽增强技术虽然实现简单，但不适用于大比例增加系统带宽。反过来，用数字处理技术还可以根据需要压缩带宽。带宽压缩的同时一部分频率成分的噪声也被滤掉，所以在不需要高带宽时可以降低系统噪声。带宽增强和压缩技术在很多高端示波器上都有使用。

　　图3.3DSP带宽增强技术

　　除了DSP带宽增强以外，频带交织技术也是另一种提升带宽的方法。频带交织技术是在频域上把信号分成两个或多个频段处理，例如把输入信号分成低频段和高频段两个频段分别采样和处理，再用DSP技术合成在一起。图3.4是频带交织技术实现的原理。例如，假设放大器硬件带宽只能做到16GHz，而希望实现25GHz的带宽，这就要把16GHz以下的能量滤波后用一个放大器放大后采样，16~25GHz的能量经滤波、下变频后再用另一个放大器放大后采样。这种方法推广开来可以3个频段或4个频段复用实现更高的带宽。但是有射频知识的人都知道，硬件上是做不出来那么理想的滤波器，正好把需要的频率都放进来，同时把不需要的频率分量都滤掉的，而且宽带信号的下变频的过程会产生非常多的信号混叠和杂散问题。因此，使用这种方法后，如果硬件电路设计和数学修正方法不好，在频段的交界点附近会有很大的问题，最典型的表现就是在频段交界点附近噪声会明显抬高，信号

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