7月11日，由全球最大電子科技媒體集團ASPENCORE旗下《電子工程專輯》、《電子技術設計》和《國際電子商情》主辦的2019“智”動化和工業(yè)4.0論壇在深圳科技園舉行，來自美國、香港、臺灣和大陸的八家領先企業(yè)的技術專家與來自智能制造和工業(yè)自動化領域的專業(yè)人士進行了面對面的互動交流。

深圳市鼎陽科技有限公司（SIGLENT）的鄧立彬先生在大會上為我們做了主題演講“國產基礎測試測量儀器在工業(yè)4.0時代的應用與挑戰(zhàn)”。

演講前，鄧立彬先生就下面的問題進行了市場調研：

如何看待工業(yè)4.0？

工程師們是這樣回答的：

① 我認為這是一個從上而下的事情，于我們基礎研發(fā)測試端來說，目前改變不大，基本沒感覺到什么影響；
② 工業(yè)4.0自提出以來，自動化、智能化進程確實明顯加快，尤其對于生產線來說，不少工廠都進行了改革，還是提升了不少效率的；
③ 其他不知道，云計算、大數(shù)據(jù)這幾年確實很火；
④ 工業(yè)4.0不就是自動化、智能化嘛，智慧城市、智慧交通、智慧生活，對我們生活的方方面面都有影響啊，工作上反而好像沒什么改變的樣子；
⑤ 工業(yè)4.0這個概念很久了，影響肯定是有的，我們目前社會進程都是在大的指導方向上做出的，我們在各行各業(yè)所享受到的便利，肯定都和這有關。。。

鼎陽示波器如何搭上工業(yè)4.0的快車？

工程師的答案是這樣的：

① 你們公司這些產品都是基礎儀器，和這個不搭邊吧？
② 示波器什么時候都要用啊，不管什么時代、什么主題，你們的儀器都是不可少的，但非得說要和這個時代搭邊，這個我也想不出來什么方案；
③ 我覺得這個時代對你們最好的消息就是國家開始關注制造業(yè)了，只要制造業(yè)起來，基礎設備需求就大，你們的春天也就來了;
④ 從大方向來說，工業(yè)4.0和你們沒什么關系，智能化、自動化、物聯(lián)網、5G，這些速率都很高，你們的產品適合基礎研發(fā)，這些高速的你們也搞不定?。?br>⑤ 我認為你們的產品定位就是基礎市場，所有涉及電子電路測試的公司都能用得上，沒必要非得和這種工業(yè)趨勢掛鉤，當然如果能通過這個趨勢找到行業(yè)客戶去推廣，那一定事半功倍，這個到時可以好好思考思考。。。

鼎陽示波器主要測哪些信號、關心哪些參數(shù)？

工程師們的回答如下：

① 主要測日常電壓電流波形，再測測紋波噪聲這些，也就是峰值、頻率，有時也看一下抖動情況；
② 就是簡單地測波形，產線上使用，集成到軟件里面讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就是4個通道峰值和1&2通道相位差、3&4通道相位差；
③ 測晶振、頻率抖動和紋波噪聲，偶爾做個IIC和SPI解碼；
④ 頻譜儀就用于測干擾啊，做定點輻射干擾分析，很實用；
⑤ 測電源、時序、時鐘和串行協(xié)議，還查看一些異常波形，基本上日常看板子都用。

如何選擇示波器的核心指標？

鄧立彬先生指出，在使用示波器時，需要配置的核心參數(shù)有帶寬、采樣率、存儲深度和探頭。

示波器帶寬通常是指模擬帶寬，即示波器前端放大器的幅頻特性曲線的截止頻率點，也就是正弦波輸入信號被衰減到信號真實幅度 70.7% 時的頻率，也稱為3dB截止頻率點。示波器帶寬是由垂直系統(tǒng)的放大器和低通濾波器(或Anti Liaising LPF) 決定的，它與測量精度息息相關。

帶寬取決于測試的準確度以及上升沿的速度（帶寬與上升時間的關系決定帶寬的選擇）。

待測信號的類型和上升時間也決定了示波器帶寬的選擇。方波中的諧波分量越多，上升沿越陡峭，上升時間越短，信號的帶寬越寬。

當實際信號的上升時間大于示波器上升時間的3倍時，測量的精確度可達到5%，該精度是大多數(shù)研發(fā)人員折中的最佳選擇。

對開關電源而言，普通的開關管一般是kHz級別的開關頻率，上升時間一般都在100ns左右。即使開關管在30ns，1/3的上升時間是10ns，100MHz的示波器也能滿足要求，但新的一代 Cool Mos的上升時間是11ns ，下降時間是3ns ，這時至少需要350MHz帶寬的示波器。

采樣率保證高的采樣，可以準確捕獲一些尖峰。必須注意，超過帶寬5 倍以上的采樣率可保證具有良好測量精度的采樣，并且測試脈沖波需在上升沿采樣3~5個點。高采樣率減少了測試波形的失真。

長存儲深度可以保證在長時基下信號的保真度。在存儲深度一定的情況下，存儲速度越快，存儲時間就越短。提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的采樣率：測量較長時間的波形時，由于存儲深度是固定的，所以只能通過降低采樣率來達到，但這樣勢必造成波形質量的下降。如果增大存儲深度，則可以以更高的采樣率來測量，以獲取不失真的波形。

示波器第一關系式如下：

存儲深度 = 采樣率 × 采樣時間

探頭的選擇取決于測試的類型以及相應的范圍。探頭對測試系統(tǒng)會帶來下面一些影響：

• 探頭的帶寬對測量系統(tǒng)帶寬的影響：濾波效應
• 探頭自身的電路對被測電路特性的影響：負載效應/諧振效應
• 探頭高、低頻電容的補償效應
• 探頭地線的長短，地線的位置、形狀，探頭擺放位置等引起的輻射耦合：天線效應
• 有源探頭本身的噪聲影響：信噪比問題
• 探頭的衰減比引起的噪聲同步放大：量化誤差問題
• 探頭的衰減比隨工作年限而變化：電阻值的漂移問題
• 探頭的接地環(huán)境引起的傳導耦合：接地是一個永恒的話題
• 浮地測量的是與非：接地是一個永恒的話題
• 探頭和探頭之間地環(huán)路的干擾問題：接地是一個永恒的話題

波特圖實測案例

在電源設計中穩(wěn)定性是一項非常重要的指標，穩(wěn)壓電源本質上是一個能輸出非常大電流的反饋放大器，所以適用于反饋放大器的理論同樣適用于穩(wěn)壓電源（以下簡稱電源）。根據(jù)反饋理論，一個反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過其系統(tǒng)傳遞函數(shù)得出。工程實踐中通常會使用環(huán)路增益的波特圖來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

鄧立彬先生以鼎陽示波器和信號源免費的Bode Plot軟件為例，解釋了如何測量波特圖。

這是一個典型的反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)A是輸入x和輸出y的數(shù)學關系表達式，環(huán)路增益T則是信號經過環(huán)路一周所得到的增益。

我們可以畫出系統(tǒng)環(huán)路增益的波特圖來評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性，表達系統(tǒng)穩(wěn)定性常用的增益裕度和相位裕度指標一般就是從這里得出的。相位裕度指的是在增益降為1（或者0dB）的時候，相位距離-180°還有多少；增益裕度則是相位到達-180°的時候，增益比1（或者0dB）少了多少。

在測量增益的時候斷開環(huán)路行不行呢？現(xiàn)實中反饋環(huán)路往往起到了穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點的作用，所以我們不能簡單的把環(huán)路斷開去測環(huán)路增益。反饋環(huán)斷開后，電路因為輸入失調等原因，輸出會直接飽和，這種情況下無法進行任何有意義的測量。

為了維持閉環(huán)，我們在注入點的位置插入一個很小的電阻而不是將環(huán)路在注入點斷開，注入信號通過該注入電阻注入到環(huán)路中去。這個注入電阻的取值要足夠小，通常遠
遠小于反饋網絡的等效阻抗，才能保證注入電阻對反饋環(huán)路的影響忽略不計。

原則上信號的注入不能影響環(huán)路的靜態(tài)工作點，為了解決現(xiàn)實電路中信號源和被測件共地的問題，往往需要使用注入變壓器。注入信號從注入電阻的一端注入到環(huán)路中，經過反饋網絡、誤差放大器和功率晶體管到達輸出，也就是注入電阻的另一端。這樣輸出信號y和注入信號i的數(shù)學關系就是我們要求的環(huán)路增益。

這是一款穩(wěn)壓電源測試板，上面的電路是用TL431和分立晶體管所搭建的線性電源，有一個開關可以切換輸出電容來獲得不同的環(huán)路響應。

低頻下DUT輸入和DUT輸出通道的幅度差別很大，我們又使用了很小的激勵信號，這導致DUT輸入通道上的信號太小了，根本無法被常見的商用示波器精確測量出來。

但我們不能簡單地通過增大激勵幅度來改善測量效果，因為反饋環(huán)路在穿越頻率附近非常敏感，激勵信號過大會導致環(huán)路嚴重失真而無法得到有用的結果。

在實際測量中，測試人員往往需要不斷嘗試這些參數(shù)以找到一個適合當前電路的最佳設置。一種可行的辦法是先在時域下觀察波形，降低激勵幅度至看不到明顯失真，把這個幅度再降低6dB，記錄下這個幅度和當前頻率，跳到下一個頻率再重復這個操作。如果你有一個已知的差不多的設置，還有一個更好的辦法來獲得最準確的結果：將這個初始配置整體降低6dB，掃描一遍看結果是否發(fā)生變化，如果有變化，則需要繼續(xù)降低激勵幅度，如果結果不變了，上一個設置就是比較理想的情況。這兩種手段都非常繁瑣且耗時，不過為了獲得理想的測量結果也很值得。