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* 高精度新型实时示波器在LED测试中的应用
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高精度新型实时示波器在LED测试中的应用
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本文整理自美国力科公司汪进进先生在【2012智能手机、平板电脑与LED照明开发者论坛】上的演讲。
我们知道示波器是用在各行各业，不只是用在电子测量，电子产品都需要用到示波器。LED是目前非常热门的一个应用，当然离不开示波器，今天我给大家分享一下我们力科12位的示波器，在LED测量方面有哪些创新之处。
首先请允许我介绍一下力科公司，力科公司致力于做世界上最好的示波器，示波器大家知道它最高的指标是带宽。目前力科公司拥有全球最高带宽60GHz的示波器，其他厂家只能做到33GHz和32GHz，力科具有最高采样率的示波器，达到160GS/S，其他厂家只有100GS/S或者80GS/S，所以这是我们非常自豪的地方。在LED测量方面示波器主要解决哪些方面的问题呢？
第一，如何高精度的测量小幅度的电源纹波或者小幅度电流；
第二，如何在测量大幅度信号的同时又能保证叠加在波形上的噪声能够被准确的测量出来；
第三，如何在共模干扰很大的环境下更加准确的测量出小电压差分信号；
第四，如何准确地测量快速变化的的电压信号，比如从400V下降到100mV情形，并保证测量精度；
第五，如何准确地测量悬浮电压；
第六，如何对低速串行数据进行快速地触发和解码。
这个地方典型的应用，我们怎么能够保证示波器在400V的电压里能够精确看到它局部的电压，通常这个误差会达到30%以上。如果没有把这个信号逐步的放大，你利用一个探头测上面这个峰值，假如在100V的时候测这个峰值可能会达到50V，实际上这个电压波动只有100mV，但是你如果没有正确的测量这个电压可能测出来是50V，所以误差是非常大的。另外一点我们测悬浮电压的时候可能会产生激变，那是因为你的共模噪声会把真实的信号给淹没了，所以这个信号明显失真。所以你只有用一个好的探头才能把这个差分的上半管的悬浮电压比较好的测量出来，还有一点，我们都知道在MOSFET管电压导通的时候，这个电压应该是100mV或者200mV的电压，但实际上我们经常会把电压测出来是负的电压值，-10V、-20V，你这个电路里面而言不应该出现负电压，实际上我们往往会测出负电压，这也是因为仪器的因素，因为你普通示波器的探头没有非常好的快速恢复能力，会使这个进入负的工作区，实际上这个电压是正的。所以这时候你测的损耗就无法测量。总之对电源而言，测量要涉及到方方面面。
力科针对这些挑战提出了一个非常好的示波器，它是12位ADC的示波器，我们都知道过去传统的示波器是8位ADC，这样会带来很大的测量误差。在以前的研讨会中我们都在强调量化误差的概念以及强调12位ADC给大家带来的好处。第二，力科有一个独特的探头，它比普通的探头有非常好的功能，让您在400V的电压里面测量100mV电压的变化，而普通的探头不够，所以它会无法测量这个小信号，但是力科的探头可以解决。我们看一下8位的示波器和12位示波器的底座的区别，这是8位示波器的底座，这是12位示波器的底座，假设测量相同的噪声差别非常大。
关于这点我们可以通过这个图片来演绎它的含义，这时候如果我们把波形占满这个屏幕，它的波形比较小。如果波形占1/4屏幕的时候误差就比较大，这个测量结果就会偏大，这个误差就会特别大。这个地方我经常打这么一个比方，如果说我们用一个1厘米每格的刻度尺测量它的长度，基本上它的误差还是可以接受的。但是如果我们用一个1厘米每格的刻度尺测量我的头发丝的直径，这个时候误差非常大，你无法用一个1厘米每格的刻度尺去测量我头发丝的直径，这时候你需要另外一个直径，需要分辨率更小的尺子，这时候你需要游标卡尺、螺旋测微器这些仪器。对示波器而言同样是这个道理，但是您示波器的量程打到无法跟您的信号进行的比较的时候，这时候你需要用一个其他类型的仪器代替。
毫不夸张的说，就在几分钟之前，我上台之前接到一个电话，他问我你们示波器能不能测量微安级的电流，我毫不犹豫的说，对不起，示波器测不了这样的信号。为什么？即使你用12位的示波器也无法测量微安级的电流，我知道大家对小电流和小电压非常敏感，因为这个电流和电压的原理是一样的，所有的电流测量只是通过传感器把电流感应成电压，把它感应迅速的告诉示波器，示波器是电流，它的本质上还是测电压。示波器只是看电压随着时间变化过程的仪器，你很难要求它测量微安级的电流或者微伏级的电压，即使力科有12位的示波器，它能够把过去8位示波器无法分辨的电压范围能够有更多的测量点分辨出来，但是还是有限度的，它毕竟只能分辨2的12次方。过去我们在10V每格的时候示波器的量程是80V，过去80V除以256，现在我是要80V除以4096，再这里你的每个0和1代表的物理量更加小。过去我在1V每格的时候，最小的步径是31.3，现在这个步径可以1.95。
让我们看一下8位示波器和12位示波器测量结果的差别，这个地方还有非常大的差别，这个图片可能看的清楚一点。这个图上是使用8位ADC的示波器和12位ADC的示波器测量一个五次正弦振荡波的峰峰值示例，五次振荡波即每一个正脉宽叠加有五次正弦波振荡。图中蓝色箭头指示的为示波器测量到的峰峰值范围，白色垂直虚线表示的区间是使用gate的方法只测量这个区间以内的信号的峰峰值。上面的图为8位示波器测得的结果，下方图为12位示波器测得的结果。从上下两幅图中可看出，8位示波器和12位示波器都能够显示出波形的振荡情况，但是从测量结果来看，两者有非常明显的偏差，8位示波器测量到的平均峰峰值为165.8mv，标准偏差为10.9mv；而12位示波器测量到的平均峰峰值为134.4mv，标准偏差为2.3mv，12位示波器测得的结果更加稳定。我们可以看到8位示波器测量到的最后3-4个振荡波形几乎是一样的，基本看不出什么差别来；8位示波器的测试结果存在非常明显的噪声，而12位示波器可以清晰的看到出正弦振荡波形的起伏变化。
如果有12位的示波器可以非常准确的还原您的信号，而且相信它可以更加准确的测量您的损耗，而且小幅度的纹波可以测的更加准确。这是我一直在说的12位示波器的外观，这个屏幕可以旋转，它垂直的分辨率精度可以到正负0.5%，一般普通的示波器是正负2%，波形测的更加的干净。目前它带宽有400M到600M两个档次，采压率可以到2GHz，可以设置到1mV每格，这是它的详细内容。总之12位示波器可以非常好的解决小信号的测量以及大信号的叠加的小信号的测量，让您测量信号波形更加反映你的真实情况。如果您加上ERS之后它可以把一些高频的噪声滤掉，可以非常好的满足您的测量需要。刚才我们提到为什么400V的电压会跳变到负的电压呢？因为普通的探头没有非常好的快速恢复特性，所以这时候需要一个特别的探头，力科的探头有快速恢复特性，而且可以把你的规模的噪声给它消除掉，可以测量你悬浮的电压，并且测量的更加准确。否则仅仅有一个12位的示波器不能解决悬崖电压的测量问题，因为悬浮电压它往往规模噪声非常大。
如果不需要悬浮的测量可以用普通的插孔放大器，有的朋友喜欢把示波器的地给它拔掉，然后用普通的探头测量悬浮电压，这是我们严格禁止这样做，这样会报示波器的机壳带来高压电，而且这时你的示波器的参考点是你的示波器机壳，这时候的电压测量是不准确的。还有一个情况，我们可以利用隔离电压器测，这个结果也是悬浮测量，也是我们严格禁止的。如果你要测悬浮电压，但是你不追求非常高的功能性比，你可以用价钱相对便宜的插方探头测量，这也是低成本的替代法。你需要测量电流，我们有专门的电流探头，它可以直接去到示波器上，然后直接进行消磁，直接读出电流值。当你的电流和电压有了之后，我们希望定量测出你的损耗，所谓损耗就是电压乘以电流，这叫损失损耗。损失损耗对现在的示波器而言，存储算法不是挑战，最大的挑战就是你能不能正确测量你的电压和电流，当你能够正确测量电压电流之后，还有一个考虑，就是电压和电流之间会有一个延迟。
电压电流采压的原理不一样，有一个延迟，需要把延迟消除掉，这样才比较正确，所以要加一个延迟的动作。加了之后可以测量你管子的损耗，器件的安全工作区以及测量你的开关过程。我把这个电压从50V每格打到200mV每格，可以看到真正的饱和的电压，这两个相乘就可以测出损失的。这个写的是负载，看到负载跳变的过程中它的变化过程，这个可以看到它下来又慢慢上去了，这样的变化过程。你可以用它测功率因素等等，还可以测量电流是否满足标准，还可以测量各种各样的东西与标准相比较，并且在示波器上可以显示。这就是我们整个所谓的测试方案。
