作者/ 何进松1 蔡光跃1 邹铮2 1.上海电子信息作业技能学院通讯与信息工程系(上海201411) 2.固纬电子(姑苏)有限公司 (江苏 姑苏 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常识，剖析了数字存储示波器对静电放电实验中上升时刻丈量的影响，提出了详细的解决方法，对其它范畴快速单次信号的丈量有必定的指导意义。
导言
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丈量都选用功用比较杂乱的模仿示波器来显现波形，再经过拍照来保存和剖析波形。因而丈量进程杂乱、丈量周期长、波形取得困难、丈量成果的精确度较低。现代数字存储示波器，尤其是第三代示波器的推出使这些丈量变得简略、方便且精确，强壮而丰厚的触发功用使波形的攫取不再成为丈量的难题，高速的采样率使丈量的上升时刻由纳秒级进入到亚皮秒级，乃至更快，强壮的波形捕获率能供给更为详细的波形细节，丰厚的丈量功用能够一起得到被测信号的多种参数，大容量的记载长度、硬件复制功用以及长途电脑操控功用使丈量成果的存储、剖析等作业变得十分简略和直观。
第二代示波器即一般的DSO，内部的信号处理流程总体上讲是串行处理方式。输入信号要经过采样、量化、多路分化、存储和微处理器，最终经过显现存储器的处理送到显现器上显现波形。第三代示波器有别于第二代DSO，内部结构选用并行处理方式，所以有更快的波形处理才干和快速的波形捕获率，兼有模仿示波器和一般DSO的长处。因为数字存储示波器选用与模仿示波器彻底不同的结构，最首要的是触及采样定理、采样率等数字信号处理方面的概念。在静电放电实验的规范中，IEC1000-4-2标精确认的静电放电的上升时刻tr为0.7ns至1ns，这相当于一个频率达350MHz至500MHz的高频信号。要精确丈量如此高速上升的波形，要有必要仔细考虑示波器及其附件的选用。本文结合世界通行的静电放电(ESD，Electro-Static Discharge)模型，扼要评论了ESD实验中怎么正确选用示波器及其附件。
1 示波器的带宽与采样率
依照示波器的开展进程，可将示波器大致划分为以下几类：第一代示波器，即模仿示波器，在数字存储示波器上市之前，是商场通用的调查波形的首选仪器;第二代示波器，即数字存储示波器，开展迅速，现在取得超越80%的运用者的喜爱，将逐步替代模仿示波器;第三代示波器也是数字存储示波器，它结合了前两代的长处，克服了两者的缺陷，杰出的优势在于能够经过起伏、时刻和波形强度三维地观测信号;第三代示波器的中心并行处理技能现在只归于少量几家厂商，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，它的特色在于丈量重复频率较高的信号而且对错实时采样。以台湾固纬的第三代示波器VPO为例，它的特色现已集成了模仿示波器的余辉功用和数字存储示波器的实时采样功用。
模仿示波器直接运用被测信号来操控电子束的偏转，然后在荧光屏上击打出与信号改变相对应的波形，因而，模仿示波器能最实在地再现信号波形。但是，模仿示波器的缺陷也是很明显的：精度低，丈量才干弱;带宽受硬件约束不行能很高;触发功用单薄，无预触发观测才干;显现闪耀并简略含糊。在慢扫描时具有严峻的闪耀现象，单薄的触发功用使其很难捕捉到单个脉冲信号，即便偶然取得一个波形也仅仅从触发点之后的不完好波形，无法观测触发点之前的波形，因而，在慢波、冲击电压和静电放电电流丈量中已根本被数字存储示波器所替代，尤其在ESD测验中，现已全面选用第三代示波器。
模仿示波器的带宽根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杂乱得多。同模仿示波器相同，不管哪一代数字存储示波器所能丈量的信号最高频率都取决于包含丈量探头在内的信号通道的模仿特性。数字存储示波器的带宽不是所能测验信号的最高频率，其界说为：输入的正弦信号衰减至实在幅值的70.7%(-3dB)的频率点。如图1。假设过错的理解为最高频率即为带宽，很简略导致示波器选用上的过错。
采样是将输入信号转化为离散值的进程，以便于存储，处理及显现。采样点的幅值同等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，然后将这些相片依照必定的顺序排列就能康复波形。采样依照原理的不同分为实时采样和等效采样。实时采样就是在一次触发后，对输入信号进行足够多的采样来确认单次信号的波形(见图2a)，它既适用于周期信号，也适用于非周期信号。等效采样技能则只适用于周期信号的丈量，它是依托不同的触发点对周期信号进行屡次触发，将每次触发后的采样点进行处理后重建原始波形。因为等效采样“会聚”了屡次实时采样的点，尽管每次采样的实时采样率比较低，但等效采样率能够到达很高(一般25GSa/s~100GSa/s)。等效采样分为循序采样和随机采样两种，其根本原理参见图2b和图2c。
数字存储示波器不行能取得和模仿示波器相同实在的波形，是靠采样后得到的采样点来重建波形。依据奈奎斯特(Nyquist)采样定理：在进行模仿/数字信号的转化进程中，当采样频率大于或等于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号完好地保留了原始信号中的信息。这就是说，要想重现信号波形，数字存储示波器的最高采样率至少两倍于输入信号的最高频率。从理论上讲，对正弦波每个周期采样两次来描绘信号特征是可行的，但实践上因为并不能确保每个采样点都落在波峰波谷上，而且数字存储示波器波形再现的成果与所选用的显现康复技能密切相关。现在选用的显现康复技能为线性内插(即用直线直接将各采样点衔接起来进行显现)和正弦内插技能(以内插函数进行运算后用曲线将各采样点衔接起来显现)。所以，在实践的丈量中，重建波形需求的点一般要大于2，线性内插需求至少10个点，正弦内插只需求4个点。Agilent、Tektronix、GWINSTEK等示波器出产商的新式数字存储示波器中根本上都选用了正弦内插显现。
2 上升时刻与示波器带宽的联系
上升时刻是静电放电电流最重要的参数，首要由放电回路的散布参数决议，包含充电电容、放电电阻及衔接导线的散布电感、导线及放电目标与参阅地之间的散布电容等。接入示波器丈量回路后，除丈量回路散布参数对丈量有较大影响外，示波器的带宽对上升时刻的丈量精确度以及整个波形形状的影响也是不行忽视的。比如在进行静电放电实验时，在其它条件不变的情况下，选用不同的示波器所测得的静电放电电流上升时刻和波形形状大不相同，选用固纬GDS-3154型VPO数字存储示波器(150MHz带宽)丈量tr时最好只能到达15ns，改用GDS-3354(350MHz带宽)丈量时，根本稳定在6ns左右，前者得到的放电波形在第一个波峰之后至放电60ns的这段时刻内有多个起伏较大的次波峰，而IEC1000-4-2规范中只允许有一个次波峰，后者的体现改进许多，波形根本符合要求。假设选用带宽更高的示波器，作用会更好。由此可见，正确选用示波器是取得精确波形的要害第一步。但是，表征数字存储示波器功能的最典型参数是带宽及采样率，而不是上升时刻。因而，有必要树立上升时刻与它们的联系才干方便地选用数字示波器。上升时刻的界说见图3。
假设已知被测信号的最快上升时刻大致为tr，首要将它看作是一个频率为f的正弦波的上升沿，则tr与f的联系满意下式[2]：
(1)
由式(1)可知，从tr求f得用带宽大于或等于2f的数字存储示波器便能够取得比较精确的波形。现在，示波器出产厂商给出了更简略的数字存储示波器带宽选取准则：
BW=K/tr (2)
式(2)中BW为示波器的带宽，K为0.35~0.45之间的常数，取决于示波器的频率呼应特性和脉冲上升呼应特性。关于带宽小于1GHz的示波器，K的典型值为0.35，关于带宽大于1GHz的示波器，K的取值通常在0.4~0.45之间。不难看出，按式(2)选用数字存储示波器比按式(1)来选用的要求更高一些。
3 静电放电的测验
静电放电(ESD)是指静电累积到必定的电势能后对电子元器材形成的一种快速放电现象。因为快速放电的瞬时性，以及经过的元器材的等效电阻较小，会发生很大的电流，形成元器材永久损害乃至人身安全的损害。为了研讨和模仿元器材和人体怎么遭到损害，世界上有几种通行的模型来表述。如人体模型(HBM，Human-Body Model)、机器模型(MM，Machine Model)、带电器材模型(CDM，Charged-Device Model)以及电场感应模型(FIM，Field-Induced Model)等。这些模型都已有工业测验规范，如HBM的EIA/JESD22-A114-A测验规范[3]和MM的EIA/JESD22-A115-A测验规范[4]。依据这些模型，现在市道上有许多静电放电发生器来测验产品的ESD等级。因为本文首要介绍数字存储示波器在静电放电实验中的选用，因而对每个详细的模型不做赘述，仅以HBM和MM模型论述怎么选用数字存储示波器。
HBM是ESD模型中树立最早和最首要的模型之一。人体静电是引起静电损失和发生意外爆破的最首要和最常常的要素，因而国内外对产品的防静电损害要求都是以防人体静电为主，并树立了人体模型。美国海军1980年提出了一个电容值为100pF，电阻为1.5kΩ的所谓“规范人体模型”。这一规范得到广泛选用。其等效电路和ESD等级如图4。该模型表征人体带电触摸器材放电，Rb为人体等效电阻，Cb为人体等效电容。
MM是指机器(例如机械手臂)自身累积了静电，当此机器去碰触到IC时，该静电便经由%&&&&&%的引脚(pin)放电。因为机器是金属，其等效电阻为0Ω，其等效%&&&&&%为200pF。因为机器放电形式的等效电阻为0，故其放电的进程更短，在几纳秒(ns)到几十纳秒之内会稀有安培的瞬间放电电流发生。其等效电路和ESD等级如图5。
在MM中，回路的时刻常数
很短，小于5ns，则在测验的进程中，电流信号的上升时刻更短，一般在1ns左右。依据式(2)，得出测验所用的数字存储示波器的最低带宽是350MHz。依据这个带宽，配上相应的电流探棒，对HBM在不同的静电电压下的放电电流进行了测验，和比照测验了HBM与MM两种模型。得到成果如图6和图7。
数字存储示波器选用台湾固纬的GDS-3354(350MHz带宽，5GSa/s实时采样率)型VPO，电流探棒选用泰克的CT1(ESD测验的专用探棒，1GHz带宽，0.2mA精度，上升时刻0.35ns)，静电放电模仿器选用SANKI的ESD-2000。
因为所测验的ESD信号对错周期的单次信号，对数字存储示波器的正确设置然后有用抓取静电放电波形十分重要。GDS-3354设置如下：
(1) 笔直体系选电流档，设置正确的倍率(CT1为5mV/mA);
(2) 水平体系设置为20nS/div~50nS/div;
(3) 触发形式设为单次触发，触发类型设为上升沿;
(4) 假设4通道一起测，则每通道都依照以上3步设置;
(5) 为了能详尽研讨波形，则将所测验波形存储在内置回忆体内。
4 定论
经过以上研讨和实验，能够认识到：在丈量比如静电放电实验这样的单次瞬态信号波形时，首要应该将上升时刻转化为带宽，然后依据带宽选用数字存储示波器，而且有必要留意数字存储示波器的带宽和和信号的最高频率不是一个同等的概念，避免挑选不妥。根据实验和研讨的成果，不难解说前述两种数字存储示波器在丈量成果差异较大的原因。一起要留意，数字存储示波器的水平常基不能太小，假设需求仔细调查静电放电波形，最小在1ns/div为最合适，否则不能充沛表达ESD的电流波形细节。
参阅文献：
[1]IEC 1000-4-2: 2001, “ Part 4: Testing and measurement techniques. Section 2: Electrostatic Discharge Immunity Test”.
[2]毛瑞海,王雪梅,刘伟,等.静电放电实验中示波器的挑选与运用[J].电测与外表，2000(2):31-33。
[3]EIA/JESD22-A114-A, “Electrostatic Discharge (ESD) Sensitivity Testing Human Body Model (HBM)”.
[4]EIA/JESD22-A115-A, “Electrostatic Discharge (ESD) Sensitivity Testing Machine Model (MM)”.
本文来源于我国科技期刊《电子产品世界》2016年第11期第55页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
