现代示波器高级应用——测试及使用技巧

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。 

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*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。

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DC电源模块和PDN阻抗测试

 

4. DCDC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Express（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T/MGBaseT/NBaseT的测试

 

3. XAUI和10GBASECX4测试方法

 

4. SFP /10GBaseKR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VSR测试点及测试夹具要求

 

3. CEI28GVSR输出端信号质量测试原理

 

4. CEI28GVSR输出端信号质量测试方法

 

5. CEI28GVSR输入端压力容限测试原理

 

6. CEI28GVSR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

 

 

前言

写在前面——人类的文明从使用和制造工具开始。工具可能是原始人随手抄起的木棒，也可能是现代孩童堆在墙角的乐高积木。作为电子工程师的眼睛，示波器是最普遍使用的电路调试工具。现代数字示波器不只是用于简单的波形观察，而是一套非常复杂的信号采集和分析系统。但遗憾的是，无论在国内还是国外，很多介绍示波器的图书与实际工作结合不好且跟不上时代的技术更新，而大部分讲操作的资料读起来又空洞无味，很少能站在实际应用的角度去解读示波器。有次和一位工程师朋友聊天，他聊到买了很多很好的仪器，但是很多功能没完全发挥出来。“就像手机，我们只用其中10%的功能。”“手机用两年就过时了，你需要了解那么多吗？而且仪器都有操作手册啊？”我反问。“仪器不一样，虽然简单使用都会，但实际问题千变万化，真碰到事儿还是解决不了。操作手册好几百页，也不知道哪些部分与当前问题相关，现在节奏这么快，哪来得及去一页页翻手册。”其实我一直不愿写一本特别琐碎的针对使用方法和技巧的书，总觉得格局不大，而且实际问题千变万化，也没有一招鲜吃遍天的独门秘籍。所以这本书不是类似市面上一些从入门到精通的操作指南，也不会涉及很细节的操作步骤。我更想展示给大家的是现代测量工具能够实现的强大功能，以及碰到问题时的分析思路。我那位朋友的话打动我的一点在于： 广大工程师朋友确实需要一些这方面的帮助。从资历和经验上，我确实是和使用示波器的各行各业工程师接触最多的。时日越久，越觉责无旁贷。无论是用扳手拧紧一颗螺丝钉，还是熬夜调试电路的故障，抑或是产品交付前的一次次设计修改，无不浸透着工程师的汗水。这些文章的总结和整理，就当是对广大默默无闻、辛勤耕耘的工程师们日常工作的记录和汇报吧。如果能对大家的日常工作有些许帮助，就是额外的惊喜了。逐有此书。李凯2017年3月

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