做精確高速時域測量可能很困難，但尋找有助于改進測量方法的信息并不艱難。了解示波器和探頭的基本原理總是有用的，但還需要掌握幾種額外的本行業(yè)技巧和一些有益的傳統(tǒng)工程常識以便有助于獲得快速準確的結(jié)果。下面是我在過去25年中積累的一些技巧和方法。即使將其中一兩種方法應(yīng)用于您的測量方案，也會有助于改善您的測量結(jié)果。

不能簡單地搬一臺現(xiàn)成的示波器和隨便從抽屜里取一根探頭用于高速測量。當(dāng)為高速測量選擇合適的示波器和探頭時，首先應(yīng)該考慮：信號幅度、信號源阻抗、上升時間和帶寬。

選擇示波器和探頭

目前有上百種示波器可供選擇，從非常簡單的便攜式示波器到價格達幾十萬美元的專用臺式數(shù)字存儲示波器（有些高檔探頭本身價格就可能達一萬美元以上）。與這些示波器相配的各種探頭種類也非常多，包括無源、有源、電流測量、光測量、高電壓測量和差分信號測量探頭。對現(xiàn)有每一種示波器和探頭種類進行全面徹底的描述超出了本文范圍，因此我們將集中討論使用無源探頭適合高速電壓測量的示波器。這里所討論的示波器和探頭通常用于測量具有寬帶和短上升時間特性的信號。除了這些指標外，我們還需要知道電路對負載的靈敏度，包括阻性負載、容性負載和感性負載。例如，當(dāng)使用大電容探頭時，測量快速上升時間的信號會產(chǎn)生失真；在有些應(yīng)用中，電路根本不允許探頭插入其中（例如，有些高速放大器，當(dāng)將電容放在其輸出端時會產(chǎn)生振蕩）。了解電路的極限值和期望值會有助于您選擇合適的示波器和探頭組合以及使用它們的最佳方法。

首先，信號帶寬和上升時間會限制示波器的選擇。一般原則是示波器和探頭的帶寬應(yīng)該至少是待測信號帶寬的三到五倍。

帶寬

不管待測信號出現(xiàn)在模擬電路還是數(shù)字電路，示波器都需要具有足夠的帶寬以如實地再現(xiàn)信號。對于模擬信號測量，待測信號的最高頻率將決定示波器的帶寬。對于數(shù)字信號測量，通常是上升時間 — 而不是重復(fù)頻率 — 決定所需要的示波器帶寬。

一般用-3 dB頻率表示示波器的帶寬，在-3dB處所顯示的正弦波的幅度相對最大輸入幅度下降到70.7％，即

(1)

保證示波器具有足夠帶寬以使誤差最小至關(guān)重要。絕不應(yīng)該在示波器的-3 dB帶寬附近做頻率測量，因為這在測量正弦波時會自動引入30％的幅度誤差。圖1所示是幅度精度隨待測信號頻率與示波器帶寬比變化的典型衰減曲線。

圖1. 幅度衰減曲線

例如，300 MHz的示波器在測量300 MHz頻率處誤差會高達30％。為了將誤差保持在3％以下，其能夠測量的最大信號帶寬大約是0.3×300 MHz或90 MHz。換句話說，為了精確地測量100 MHz信號（<3%誤差），您需要至少300 MHz帶寬的示波器。圖1的衰減曲線說明了關(guān)鍵一點：為了保持幅度誤差合理，示波器和探頭組合的帶寬應(yīng)該至少為待測信號帶寬的3到5倍。為了保證幅度誤差小于1％，示波器的帶寬應(yīng)該至少為信號帶寬的5倍。

對于數(shù)字電路，上升時間特別重要。為了保證示波器將如實地再現(xiàn)上升時間，可以使用預(yù)期的上升時間來確定示波器的帶寬要求。這種關(guān)系假設(shè)電路響應(yīng)類似于一個單極點、低通RC網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

對一個施加的電壓階躍信號的響應(yīng)，其輸出電壓可以使用公式（2）計算。

(2)

對一個階躍響應(yīng)的上升時間定義為其輸出幅度從階躍幅度的10％上升到90％所花費的時間。使用公式（2），階躍幅度10％對應(yīng)的時間是0.1 RC，90％則對應(yīng)2.3 RC。它們之間的差值是2.2 RC。因為-3 dB帶寬（f）等于1/(2π RC)，并且上升時間（tr）等于2.2 RC，所以

(3)

因此，對于單極點探頭響應(yīng)，我們可以使用公式（3）計算出信號的等效帶寬，如果已知上升時間。例如，如果信號的上升時間是2 ns，則等效帶寬為175 MHz。

(4)

為了保持3％的誤差，示波器和探頭的帶寬至少應(yīng)該是待測信號帶寬的3倍。因此應(yīng)該使用600 MHz 帶寬的示波器來精確測量2 ns的上升時間。

探頭的構(gòu)造

考慮到探頭的簡單性，它是一個非常值得注意的裝置。探頭由一個探討尖端（它包含一個并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)）、一段屏蔽線、一個補償網(wǎng)絡(luò)和一個地線夾組成。探頭最重要的要求是在示波器和待測電路之間提供一個非侵入式接口 — 盡可能不影響電路，同時允許示波器能夠幾乎完美地再現(xiàn)待測信號。

過去為了測量柵級和板極電壓時，需要高阻抗以減小信號節(jié)點的負載。所以先將探頭放在在真空室?guī)滋?，待開始測量時再取回。當(dāng)今這個原理仍然非常重要。高阻抗探頭不會對待測電路增加太大的負載，因此在測量節(jié)點上可提供真實信號的精確波形。

根據(jù)我的實驗室經(jīng)驗，最常用的探頭是10倍和1倍無源探頭；10倍有源場效應(yīng)晶體管（FET）探頭是次常用的。10倍無源探頭將信號減少到原來的十分之一。1倍探頭沒有衰減，可以直接測量信號。它具有1MΩ輸入阻抗，而且探頭尖端的電容高達100 pF。圖3示出是10倍衰減、10 MΩ探頭的典型原理圖。

圖3. 探頭原理圖

Rp (9 MΩ)和Cp位于探頭尖端內(nèi)，R1表示示波器的輸入阻抗，C1表示示波器的輸入電容和探頭補償箱電容的組合值。為了精確地測量，兩個RC時間常量（RpCp和R1C1）必須相等；任何不平衡都會引入上升時間誤差和幅度誤差。因此，在測量前總是要校準示波器和探頭的工作非常重要。

校準

在獲得一臺可以工作的示波器和探頭后應(yīng)該要做的第一項工作是校準探頭以保證其內(nèi)部RC時間常量匹配。不要太頻繁校準，因為沒有必要。

圖4示出如何正確地將探頭連接到示波器的探頭補償輸出。使用非磁性調(diào)節(jié)工具調(diào)節(jié)補償箱中的調(diào)節(jié)螺螺絲完成校準一直觀察到平坦的波形響應(yīng)。

圖4. 校正示波器的探頭

圖5示出了欠補償、過補償和合理補償三種情況下探頭產(chǎn)生的波形。

請注意欠補償和過補償探討會引入很大的上升時間測量誤差和幅度測量誤差。有些示波器具有內(nèi)置校正。如果您的示波器具有內(nèi)置校正，請保證在測量之前進行校準。

(a)	(b)	(c)

圖5. 探頭補償：(a)欠補償；(b)過補償；(c)合理補償

地線夾和高速測量

地線夾固有的寄生電感會使其與實際高速測量相互排斥。圖6示出示波器探頭和地線夾的原理示意圖。其中探頭LC組合構(gòu)成一個串聯(lián)共振電路——共振電路是示波器的基礎(chǔ)。

圖6. 等效探頭電路

這種附加的電感并不是所期望的特性，因為串聯(lián)LC組合可能會對其它干凈的波形的增加很大的過沖和振蕩。這種過沖和振蕩通常不會引起注意，因為示波器的帶寬有限。例如，如果使用一臺100 MHz帶寬的示波器測量一個包含200 MHz振蕩波形的信號時，我們看不到振蕩，因為信號受示波器帶寬限制大幅度衰減。請記住，對于100 MHz帶寬的示波器，圖1示出在100 MHz處衰減3 dB，每倍頻程會連續(xù)下降6 dB。因此200 MHz的寄生振蕩會下降將近9 dB，大約減小到原信號幅度的35％，從而很難看到。然而，隨著示波器測量速度的提高和帶寬的增加，地線夾的影響能夠明顯地看到。

使用公式(5)計算地線夾的串聯(lián)電感可估計地線夾引入的振蕩頻率。L表示單位為納亨（nH）的電感，l表示以英寸（in）為單位的導(dǎo)線長度，d表示以英寸（in）為單位的導(dǎo)線直徑。

(5)

然后將公式(5)的結(jié)果帶入公式(6)計算共振頻率f(Hz)。L表示以亨利（H）為單位的地線夾電感，C表示探測節(jié)點的總電容（F）—— 探頭電容和任何寄生電容的組合。

(6)

現(xiàn)列舉幾個使用不同長度導(dǎo)線的地線夾的實例。在第一個實例中，使用一個帶6.5 in長地線夾的11 pF探頭測量一個快速上升的脈沖沿。測量結(jié)果如圖7所示。乍一看脈沖響應(yīng)很干凈，但是仔細觀察會發(fā)現(xiàn)一個幅度很低的100 MHz衰減振蕩。

圖7. 使用6.5 in地線夾的測量結(jié)果

現(xiàn)在我們用公式(5)和公式(6)表示探頭的物理特性檢查這個100 Mhz振蕩是是否由接地引腳產(chǎn)生的。地線夾長度為6.5 in，導(dǎo)線直徑為0.03 in；這會產(chǎn)生190 nH的電感。將該值帶入公式(6)，并且C＝13 pF（11 pF示波器探頭電容的和2 pF雜散電容）會產(chǎn)生大約101 MHz的振蕩。這種與觀察到的頻率密切相關(guān)性允許我們斷定6.5 in地線夾是產(chǎn)生低幅度振蕩的原因。

現(xiàn)在考慮一個更加極端的情況，在這里施加一個2 ns上升時間的快速信號。這通常用于許多高速PC板。圖8a示出使用TD2000系列示波器觀察到的很大的過沖和延長振蕩。原因是2 ns的快速上升時間和175 MHz的等效帶寬具有足夠大的能量激勵探頭引腳的100 MHz串聯(lián)LC產(chǎn)生振蕩。過沖和振蕩大約是峰峰值的50％。來自典型接地的這種影響可以清楚地看到并且在高速測量中完全不能接受。

取消接地引腳后，可以更加真實地看到對施加輸入信號的響應(yīng)波形（見圖8b）。

為高速測量準備探頭

為了獲得有意義的示波器測量波形，我們需要去掉地線夾電路并且要拆卸探頭。一定要要對探頭做正確地拆卸！要拆除的第一個部件是按壓式探頭尖端適配器。接下來，旋開包在探頭尖端外面的塑料套筒。然后要拆除的是地線夾。圖9示出示波器探頭改進前（a）和改進后（b）的探頭外形。圖9（c）示出使用6 in地線夾測量脈沖發(fā)生器的上升沿；圖（d）示出使用為高速測量準備的探頭〔見圖9（b）〕做相同測量的測量結(jié)果。如圖8所示，改進的測量結(jié)果非常顯著。

(a)	(b)

圖8. (a)使用6.5 in地線夾測量2 ns上升時間的階躍響應(yīng)； (b)沒有地線夾時的階躍響應(yīng)。

(a)	(b)
(c)	(d)

圖9. ( a)從箱子里取出未改進的探頭；(b)為高速測量改進的探頭；(c)使用未改進的探頭的測量結(jié)果；(d)使用改進后探頭的測量結(jié)果。

(a)

(b)

(c)

圖10. 去掉示波器探頭的接地方法

接下來，為了校準需要直接拆卸探頭（見圖4）。一旦完成校準，探頭就可以準備使用了。探頭直接靠近某個測試點同時將探頭的金屬外套連接一個局部接地。關(guān)鍵是如何在示波器探頭外套上做恰當(dāng)?shù)慕拥剡B接。這樣可消除使用探頭地線夾引入的串聯(lián)電感。圖10a示出使用改進探頭的正確測量方法。如果探頭直接接地很不方便，可以使用一付金屬鑷子、一把小螺絲刀或甚至一個改進地線連接的紙夾子，如圖10b所示。可以將一段短的裸線在探頭的金屬外套上繞幾圈（地線環(huán)），如圖10c所示，從而可提高測量靈活性并且能夠測量多點（在小范圍內(nèi)）。

如果可行的話，更好的方法是在PCB板上設(shè)計專用的高頻測試點（見圖11）。這種探頭尖端適配器可提供上述使用裸探頭尖端的所有優(yōu)點，從而可以迅速準確地測量許多測試點。

圖11. PCB到探頭尖適配器

探頭的電容效應(yīng)

探頭電容會影響上升時間和幅度測量；它也會影響某些器件的穩(wěn)定性。

探頭電容會直接增加被測節(jié)點的電容。附加的電容會增加該節(jié)點的時間常數(shù)，從而使得脈沖的上升沿和下降沿變緩慢。例如，如果將一個脈沖發(fā)生器與一個任意的容性負載相連，其中CL＝C1，如圖12所示，然后利用公式（7）計算相關(guān)的上升時間，其中中Rs（＝R1，見圖12）是信號源的阻抗。

(7)

圖12. 由RC負載決定的上升時間

如果Rs＝50Ω，CL＝20 pF，則tr＝2.2 ns。

接下來，我們考慮使用一個具有10 pF電容、10:1衰減比的探頭測量相同的電路。新電路如圖13所示?，F(xiàn)在總電容是31 pF，新的上升時間是3.4 ns，上升時間增加了54％！顯然這無法讓人接受，但是否有其它的選擇呢？

圖13. 附加的探頭電容

有源探頭是測量高速電路的另一種好的選擇。有源探頭或FET探頭包含一只有源晶體管（通常是FET管）可以放大信號，而無源探頭只能衰減信號。有源探頭的優(yōu)點是具有極寬的帶寬、高輸入阻抗和低輸入電容。測量高速電路的其它方案是使用具有高倍衰減比的示波器探頭。通常，提高探頭的衰減比會減小其電容。

探頭尖端的電容不僅會在測量上升時間時引起誤差，還會使一些電路產(chǎn)生過沖和振蕩，或者極端情況下使電路變得不穩(wěn)定。例如，許多高速運算放大器對其輸出端和反向輸入端的容性負載的影響很敏感。當(dāng)在高速放大器的輸出端引入附加電容時（在這種情況下，指示波器探頭18 Analog Dialogue第41卷第1期尖端），放大器的輸出阻抗和附加電容會在反饋響應(yīng)中形成一個附加極點。該極點會產(chǎn)生相移并且減小放大器的相位裕量，從而會導(dǎo)致不穩(wěn)定性。這種相位裕量的損失會引起振鈴、過沖和振蕩。圖14示出使用Tektronix P61131 示波器帶10 pF電容和10:1衰減的探頭，并且采用合適的高速接地測量高速放大器的輸出。信號在產(chǎn)生了1300 mV的過沖并且伴隨12 ns的振蕩。顯然，這個探頭對該應(yīng)用不合適。

圖14. 使用10 pF探頭測量高速放大器的輸出

幸運的是有幾種解決方案可以解決這個問題。首先，你可以使用一個較低電容的探頭。在圖15中，使用Tektronix P6204 1.1 GHz示波器帶1.7 pF電容10:1衰減 FET管有源探頭完成與圖14所示相同的測量，并且也是使用正確的高速接地。

圖15. 使用1.7 pF 電容FET管有源探頭測量高速放大器的輸出

在這種情況中，使用較低電容的有源探頭顯著減小了過沖（600 mV）和振蕩時間（5 ns）。另外一種方法是加入一個很小的與示波器探頭串聯(lián)的電阻（通常是25 Ω～50 Ω）。這有助于將探頭電容與放大器的輸出隔離，并且減小振蕩和過沖。

傳播延遲

測量傳播延遲的一種簡單方法是同時測量待測設(shè)備（DUT）的輸入和輸出。傳播延遲很容易從示波器的顯示屏上讀出兩個波形之間的時間差。

然而，當(dāng)測量短傳播延遲（<10 ns）時，必須注意保證示波器兩個探頭的長度相同。由于導(dǎo)線的傳播延遲大約是1.5 ns/in，不同長度的兩個探頭會產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。例如，使用3英尺（ft）的探頭和6 ft的探頭產(chǎn)生的信號傳播延遲誤差大約是4.5 ns — 當(dāng)進行單位數(shù)或雙位數(shù)納秒（ns）測量時該誤差相當(dāng)大。

如果沒有兩根長度相等的探頭（經(jīng)常會遇到這種情況），請按如下操作：將兩根探頭連接到同一信號源（例如脈沖發(fā)生器）并且記錄傳播延遲差，稱為“校準因子”。然后將從長探頭的讀數(shù)中減去“校準因子”，從而可校準測量結(jié)果。

結(jié)論

雖然高速測量并不是太復(fù)雜，但當(dāng)冒險在實驗室做高速時域測量時必須考慮許多因素。示波器的帶寬、校準、上升時間和探頭的選擇以及探頭尖端和地線長度都對測量的質(zhì)量和完整性起重要作用。使用這里介紹的一些方法有助于加速測量過程并且改進測量結(jié)果的總體質(zhì)量。欲獲知更多信息，請訪問www.analog.com和www.tek.com。