电子示波器及其应用论文工欲善其事必先利其器——我与Keysight示波器那些事儿|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

工欲善其事必先利其器——我与Keysight示波器那些事儿

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子曾经曰过：“工欲善其事，必先利其器”（《论语·卫灵公》）。

自从总理明确提出要培育 “工匠精神”的号召以来，工匠精神已经成为目前的一个热点。我的理解是，所谓的工匠精神，其主要内涵就是工程师文化，毕竟现在的工程师，放在以前可不就是工匠么。工匠精神简单的说是一种精益求精，追求完美和卓越的精神。作为电子工程师，这几年我逐渐地体会到了“工欲善其事，必先利其器”也是一个工匠要有的基本精神。一个合格工程师，需要选择合适仪器，熟练且准确的利用它们。这关系到的不止是事半功倍还是事倍功半的问题，有时候更加关系到目标系统能不能做成，能不能做好。示波器作为电子通讯行业的必备仪器，我和Keysight也是结下了不解之缘，以下是过去几年使用Keysight示波器的一些感悟。

0x01 初见

常言道“人生若只如初见”，但是我和示波器的初见却不见得那么美好。和广大学生一样，我第一次接触示波器是大学的相关实验课程上，当时的示波器品牌已经记不清了，只记得是一款低端的模拟示波器（毕竟是学习基本操作，够用了）。当然记得比较清楚的是体验并不好。现在回想，当时的实验非常基本，但是我们调试了很久都没有调好。一方面是初次使用不熟悉仪器，另一方面是设备经常掉链子。印象最深刻的一点是，大概是示波器的旋钮接触不好，导致显示的波形并不稳定。但是对于波形不出现，不稳定的情况，原因实在是太多了。工作点设定不对？导线没固定结实？电源是否稳定？连接是否准确？示波器上各参数是否设定正确？实际上那时的电路规模不大，如果有个合适的“基准”，例如示波器上的数据是值得信赖的，调试起来并不难。所以当时遇到的最大困难是示波器也不稳定，从一个每个环节都可能出问题的系统中debug，实在不是一种痛苦的体验。

所以，某天当发现我要使用如下这台示波器时，一开始我是拒绝的。

这是实验室“标配”：“伊拉克”成色的Agilent 54622D（2通道，100MHz，200 MSa/s）

从外观和标配的软盘驱动器，不难估计它已经是身经百战了。

开机，上校准波形。虽然外观上可能比我当时用的模拟示波器还要破旧，但是简单操作几次后，发现居然没有任何问题，几乎所有的常用功能都是好的，包括我最担心的旋钮和按键会不会接触不好，都一点没发生。波形显示也十分平稳清晰，可谓老当益壮。

上面2张图也是我使用它时，发现它居然还能正常工作时兴奋不已而拍下的照片。

这台示波器，让我注意到了Agilent这个品牌（现在是Keysight），也纠正了我对示波器难用的片面看法。

当时万万没想到的是，这才是我和Keysight故事的开始。

补充：

这个型号的示波器，也是电路仿真软件Multisim中集成的虚拟仪器。其实在Multisim里集成了不少Agilent的仪器。

0x02 进阶

日常简单的测量工作，Agilent 54622D已经基本满足了需求，但是需求总是没有止境的。

有一个实验需要我们复现它的结果，简单的说就是文献里的一个波形。

这个测量需求是我们之前从来没有见过的，测量的是某MCU的瞬时功耗。论文里的结果可以清晰的区分9.5个patterns。但是我们的复现结果全是噪声，啥也看不到，这使我们苦恼不已。

因为借用的是某款看上去够“高级”示波器，从指标上看似乎也是够用的，所以从一开始我们就没有怀疑示波器的问题。日子一天天过去，还是全是噪声，而且示波器本身的底噪就很大。有一天突发奇想决定研究下论文里用的是什么示波器。根据图片上的一点点线索，居然很快锁定到了是Agilent MSO 6000系列的示波器。老师也很快帮我们打听了“隔壁”实验室的设备，刚好有一台Agilent MSO 6054A（4通道，500 MHz，4GSa/s），我们抱着板子就过去测试了。

只用了半天时间，我们就重现了结果，然后拍下了这张（具有历史意义）的照片。上面是我们调试的结果，下面是论文里别人的工作，可见吻合度非常高。这里面用到了带宽限制功能，也就是示波器内置了25MHz的硬件低通滤波器，减少带外的噪声对测量的影响，而有些示波器不带这个硬件滤波器，需要外围系统额外增加一个滤波器。

这个事情最后我们得出的结论是：不是屏幕大，标称的指标高的示波器一定好（虽然也是一个比较知名品牌的产品）。实际测试表明那台屏幕更大，指标更高的示波器的噪声远比Agilent MSO 6000系列来得高（在外围的模拟滤波条件相似的情况下）。而且相似条件下，其波形刷新很慢，显示的效果也没有Agilent MSO 6000系列来得好，这应该是仪器内置的算法不同。

之所以称呼MSO 6000系列是因为“隔壁”实验室的设备我们不能长期借用，而这个测量需求还有很多后续工作要做，老师给我们从合作单位调了一台Agilent MSO6032A（2通道，300 MHz，2GSa/s）

这台示波器后来还完成了诸多测量任务，我们一直身在福中不知福。直到合作方一句话点醒了我们：“这台设备你们可要好好用，在我们那可是当宝贝的”。我们这才知道其实Agilent MSO 6000系列是中端示波器中的中流砥柱。因为用途广泛，网上资料很多，我们才能轻而易举的通过通过一张图片锁定了型号，才能正好在“隔壁”实验室借用到，才能后续碰巧从合作方那里又调到一台同系列的机器啊。

实际上Keysight示波器涉及到广泛的科研和生产领域，后来留心观察发现，甚至稍微专业一点的电子实验室或多或少都有Keysight的产品。

对于MSO 6032A，除了指标够用，我的最大感受是做工好，旋钮的阻尼适中，段落感清晰，按键回弹利落，有确认感，操作起来不费劲，每个机械部件又固定的很结实，没有松松垮垮的感觉。另外一个感受可以用“快”字概括。开机快，电源按钮是开关式的，从上电到就绪只需要短短几秒钟（当然精确测量还是需要预热的），波形刷新很快，大部分场景下可以媲美模拟示波器。菜单，功能的选择反应也很灵敏，特别是“Auto Scale”，也就是自动测量，简直是一键自动档，基本上刷一下就可以调整好并稳定住波形（一般都是先Auto再细调）。而之前提到的另一台“高级”示波器的自动测量功能根本没法比，响应非常慢，需要等待很久才能完成自动量程，有时候甚至还不如手动调节来得快，甚至它的手动调节响应也没有MSO 6032A来得快。“天下武功，唯快不破”，这种差距没有真正操作过很难感受到，在仪器的规格参数里也不好体现，但是确实非常影响测量体验。就好比早几年Android手机还很卡的时候那样，和iOS相比，虽然都能完成一样的功能，但是iOS的操作就更丝般顺滑，用户体验会更好。

0x03 惊喜

这是全面了解示波器的开始。目的主要是做一个全自动的采集，需要十分熟练地利用示波器的采集功能，主要情况可以用如下框图说明。

框图里箭头旁的5个环节都需要编程实现。其中计算机和目标板的双向通信倒是比较常规，使用USB转串口通信就可以。示波器采集目标板上的波形，如果只采集少量波形，只要手动完成就可以了。难的是自动测量，需要协调好几个事件的顺序。计算机在这里充当主控制器，首先配置好示波器各参数，通知示波器准备好，使之处于等待触发的状态，然后控制目标板执行特定程序，等示波器触发后，采集需要的波形，计算机收到回传的波形数据。如此循环数千到数万次（每次目标板上执行的程序参数会略有差异）。

因为循环次数多，整个采集过程会持续半天甚至1天以上，总数据量会有数GB以上，对各软硬件的稳定性都有一定要求。而接手前，我们的已有的成果只停留在勉强能手动控制采集几次，还时常出问题。

在调试示波器的控制和数据回传程序时，我们也尝试使用了不同品牌不同规格的示波器，甚至使用了不同的编程语言，Keysight示波器又体现出了很多优势。

1、首先是性能好。示波器连接计算机通常可以用USB或者以太网，USB2.0理论上有480Mbps速率，以太网根据规格不同有100Mbps或者1000Mbps的速率，都是满足要求的。但是有些示波器在回传波形数据时，速度很慢，或者速度不稳定，有时候一条波形传输需要快1分钟了，这种情况是不能容忍的（想想一天一夜才1440分钟，是不是很短暂）。Keysight的示波器通常在相同环境下，传输速度是最快的，而且速度稳定，稳定的让人觉得手动控制延时都可以。

2、其次触发系统十分可靠。实验中控制目标板的GPIO跳变来产生边沿触发信号，所以只需要简单的边沿触发就可以了。作为最基本的触发模式，当然所有的示波器都支持。但是并不是所有的示波器都能做好，在几千数万次的采集循环中，漏掉触发是常有的事情。这种情况不是很好调试，因为它是随机出现的，而我们不可能守在示波器前一直看着数万次的采集过程。通常一直不触发会产生一个触发超时异常，计算机上的程序可以处理这种情况。如果不触发的情况比较多，我们就要增加准备触发到开始采集的时间间隔，让示波器又足够长的时间做好准备。而每增加1秒钟，1万次的采集就会增加约3小时的采集时间。最坑人的是，偶尔会有示波器反馈给主机已经触发了，实际上并没有。这种情况下，示波器的数据缓冲区里没有波形数据，而计算机认为示波器已经触发，就会去读取波形数据，导致程序出错。或者反馈触发，但是数据缓冲区里的数据是全0,，即数据错误。这些情况是偶尔发生的，越是偶尔，调试起来就越艰难。由于这是示波器内部控制程序的问题，我们没有办法去改进，只能指望厂家的程序能写的健壮一点，这个程序，毫无疑问的是Keysight的产品胜出了。

3、还有一个是文档完善。编写控制示波器的程序是要调用示波器提供的程序接口，而我们对于示波器编程是没有基础的，全靠厂家的文档支持。这一方面，Keysight的文档是最完善的，而且细节也是最丰富的。我记得将Agilent改名为Keysight那段时间，我看到过的几个老示波器的文档很快就把Agilent的标志都换成了Keysight。只是一个小小的符号变化，也体现了Keysight对于用户的负责态度，更是一种有力的提示：Keysight没有忘记老用户，是德科技，即实事求是，以德为本，并不会因为是老产品的文档就放任不管。

因为存储深度的原因，MSO 6000系列不能满足要求，正好有条件可以试用MSO-S系列的示波器，正是这台示波器又一次刷新了我对示波器的认知。

仪器的型号是Agilent MSO-S 804A（4通道，8GHz，20GSa/s，10-bit ADC）。大概是因为试用的关系，规格比较高，模拟带宽和采样率我们其实用不到那么高，但是10-bit的ADC是用上了。确实如宣传所说，10-bit有效地降低了量化噪声，甚至波形放大看，都能看出来明显是更清晰了。有一种从看标清电影转为看高清电影的感觉，但要说起这里面的技术含量，相信每一个做过模拟电路的人都能或多或少的感受到Keysight研发人员付出的无数心血。

回到第一次打开这台机器的时候：

居然是电脑的开机画面，只是LOGO换成了Agilent，

居然是熟悉的Windows 7系统，

试着操作一把，居然是电容触摸屏，这下会用手机就会用示波器了。

后面仔细了解操作后发现，大部分操作都可以通过点按触摸屏完成，当然基本的操作也是可以用右边的按键和旋钮完成的，2种操作重叠的部分是联动的，也就是说通过触摸屏的操作也会反馈到按键的指示灯上。

接口方面，除了示波器必备的信号输入输出端子，计算机的接口也是一应俱全，包括USB、以太网、显示输出等。

计算机的硬件配置也是向高看齐，甚至配备了当时在PC上还没全面普及的固态硬盘（SSD）。

这一切都太熟悉了（常见的PC上都可以有，触摸屏也不是新鲜玩样），又太陌生了（这一切居然是在一台示波器上）。

用触摸操作使得仪器的使用门槛大幅减低，波形缩放拖动非常直观，参数测量也只需要轻点几下。

回到自动采集系统，一流的仪器自然带来了一流的测量体验，我们取消了原来的主控计算机，直接使用示波器内置的计算机完成控制，并根据触摸屏设计了相应的图形界面。

或者外接显示器进行双屏操作：

示波器内部的Windows系统是装好了全套驱动程序的，甚至附了全套文档，我们的程序在PC上调试好，复制过去就能运行，没有遇到任何障碍。

0x04 正轨

MSO-S 804A短暂的试用很快就结束了。后来用过的最接近S系列的示波器是Agilent 的DSO 9000系列。例如这台DSO9404A（4通道，4GHz，20GSa/s）

经历了MSO-S系列的狂热，再看到这样的示波器，我们的内心是平静的，它也真正成为了我们的一个研发利器，编写采集程序，调试电路，一切都进展的井然有序。它和采集程序配合的很好。9000系列的示波器和MSO-S系列很接近，应该是它的前身，但是该有的都有，一点也不含糊。

9000系列偶尔还能充当逻辑分析仪，频谱分析仪，跨界完成一些额外的工作。

这里真心再赞一下Keysight的示波器。采集程序中控制示波器的部分，一开始在MSO6032A上着手开发的，后来换成了MSO-S 804A，再后来换成DSO9404A，这是3个不同系列的产品。通常来说，这种硬件平台不固定，软件要跟着改工作量是非常可观的，也是最令人心累的。但是这次是个例外，Keysight的程序接口定义的非常规范有规律，可以说只要这3个示波器里，调熟悉了任意一台，换个设备只要简单看一下编程手册，针对性地调整命令，很短的时间就可以移植完毕，甚至比MCU换一个系列都要简单的移植都要简单。最后我们的采集程序对台式示波器的支持，是只支持Keysight示波器，一方面是效果好，另一方面Keysight示波器使用广泛，具有普遍意义。

0x05 细节

天下大事，必作于细（《道德经·第六十三章》）。

细节在日常的使用中才能真切感悟，要一时列举还真是困难。这里有一些零散拍摄的照片，可以一窥Keysight在细节上的功力。

对于MSO-S系列或者9000系列这样大小的设备，个人要想搬动还是很麻烦的，好在原厂其实是有配有箱子的，这样搬运的话，还带一个拉杆，一个人就可以搞定啦。

（小伙伴友情出镜）

示波器标配的鼠标还是很耐用的，仔细看看，原来是罗技代工的。看来Keysight对于鼠标这样外围的外设都一点不含糊，可见其用心。

罗技代工的鼠标

使用示波器内置的截图功能，除了会把屏幕上的内容抓下来以外，还会在底下附上示波器的配置参数，这个功能初看没啥技术含量，实际上非常实用。尤其是在截图比较多的情况下，一一记录参数不仅麻烦，还容易搞混，这样直接附在图后面的方式反而简单直接。

最后补几张相关图，是当年为了方便借用仪器拍摄的（记下型号，需要的时候再过去借用）。Keysight的逻辑分析仪，信号分析仪，频谱分析仪等也都是业界标杆。

正在服役的仪器中，有Keysight的前身Agilent，以及爷爷辈HEWLETT PACKARD（HP）。

Keysight新品牌启用没多久，在电子市场看到经销商的牌子也已经换好了，顺手就拍下了这张照片。确实是“电子测试工具的精品”。

0x06 后记

本文只提到了使用Keysight示波器的感悟，但绝不是无脑的夸赞Keysight示波器。事实上市面上主流的几大品牌示波器我都或多或少摸过用过，但是用来用去，大部分的场景里，还是Keysight的最好用。那个采集程序还考虑过使用USB示波器，工业采集卡，最后也是Keysight示波器效果最好。在日常使用时，尤其是对着编程手册写控制程序的时候，看到了Keysight示波器许多的强大之处，有时候真感叹，原来测量还可以这么做。有很多独具匠心的功能大部分时候都只是静静地躺在仪器里，说明文档里，而并没有发光发热。工欲善其事，必先利其器，选择一款合适的示波器，摸透它的脾气，会发现原来时域测量会变得这么得心应手，电路的世界也可以变得这么美好。

示波器应用解密：静电电压测试

“在日常生活中，人们常常会碰到这些现象：晚上脱衣服睡觉时，黑暗中常听到噼啪的声响，而且伴有蓝光；见面握手时，手指刚一接触到对方，会突然感到指尖针刺般刺痛，令人大惊失色。”-- 以上内容摘自百度。我觉得写的还蛮生动，读起来身上不觉有种针刺的感觉 -_-！在空气干燥的季节里，脱衣服这个行为可能会产生600至15000V的静电电压，如果湿度为20％以下，电压甚至可以高达30kV，所以在此提醒大家：静电有风险，脱衣需谨慎。

1 静电的产生以及测试现状

静电是物体表面的静止电荷，这也是“静”字的由来。物体在接触、摩擦、分离、电解等过程中，将发生电子或离子的转移，正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡，就形成了静电。当物体表面的静电场梯度达到一定的程度，正电荷和负电荷发生中和，静电放电(ESD -Electro Static Discharge)现象就出现了。

静电和电子系统的关系，可以用两个字来表达：“破坏”。“据美国统计，美国电子行业部门每年因静电危害造成损失高达100亿美元，英国电子产品每年因静电造成的损失为20亿英镑，日本电子元器件的不合格品中不少于45％是因为静电造成的。”-- 以上数据摘自百度。而静电测试也一直是产品整机测试阶段中的风险控制点，原因在于这项测试很容易暴露缺陷，而且静电能量的泄放又和许多因素相关，处理起来比较复杂。

以往验证产品抗静电能力的途径是在标准静电实验室进行实测，在某个测试点位实施数次接触或空气放电，同时验证相关功能受到影响的程度。但如果追究以下问题如：在放电过程中，被测主板上的器件承受了多大的能量? 放置ESD器件前后，被保护器件承受的能量有多大的区别，ESD器件能否不焊接以节约产品成本? 物料替代时，看似两个参数很接近的ESD器件，哪一个的静电保护效果更优秀 ? 类似问题一时可能难以作出准确回答，原因归结于缺少定量测试的手段，如果能够进行此项测试：

l 从产品开发上讲，测量主板上某颗芯片引脚的静电波形，对抗静电设计、产品可靠性验证以及分析静电导致器件损坏的情况将有指导意义。

l 从物料测试上讲，针对器件替换的情况，放电波形可以提供直观的对比，例如：峰值电压，能量泄放速度这些信息，进一步了解不同器件的保护效果。

本文主要阐述的就是测试静电放电电压波形的方法，以解决定量分析的问题。

2 测试操作说明

2.1 测试设备

2.2 测试环境实拍

环境1：测试ESD器件的静电放电电压波形

环境2：测试产品主板在焊接ESD器件后，对应信号通路的静电放电电压波形。下图是CVBS信号通路，使用同轴线缆采集图中所示测试点的波形

2.3 测试步骤

l 将ESD器件焊接在测试主板上。

l 主板和静电枪通过低阻通路完成共地。

l 使用同轴线缆连接ESD器件信号端和示波器输入通道。

l 静电枪放电同时将电压波形采集到示波器，然后观察波形以及测量参数值。

注意：

l 主板走线、线缆、示波器输入通道都需要是50ohm阻抗，这避免了信号反射对波形的影响，使其能反映真实情况。

l 利用两级-20dB衰减器将信号幅度进行100:1衰减，来适应示波器输入通道的电压幅值要求，起到保护示波器的目的。

3 测试结果

3.1 型号为ESD5B5.0ST1G的ESD器件接触放电电压波形测试

放电电压+4kV

放电电压-4kV

3.2 在ESD5B5.0ST1G的+8kV接触放电测试过程中，使用示波器的带宽限制功能，得到不同带宽条件下的测试结果

放电电压+8kV，带宽1GHz

放电电压+8kV，带宽350MHz

放电电压+8kV，带宽250MHz

3.3 主板的CVBS通路在焊接/不焊接ESD5B5.0ST1G器件条件下的接触放电电压波形测试

焊接器件，放电电压+8kV

不焊接器件，放电电压+8kV

4 测试结果分析

4.1 从±4KV放电电压波形中观察特征

l 峰值电压的绝对值在50V左右，而经历峰值以后电压幅度迅速衰减到10V左右。

l 相比较+4kV的衰减速度更慢，在250nS以后衰减到0V，而在-4kV放电时这个过程只需要150nS。

4.2 从示波器的带宽对测试结果的影响来评估对系统带宽的要求

相关文献中较少提到静电测试系统的带宽要求，仅在《IEC 61000-4-2-2008 》中的“B.4.2 Test equipment required for ESD generator calibration”即静电发生器的校准章节中有此说明：针对电流波形的采集，推荐示波器带宽≥2GHz。从该标准中给出的4kV接触放电电流波形中也可以发现，第一个上升沿只有1nS左右，因此需要特别注意到测试系统的带宽。