示波器測量高速信號時(shí)的注意事項

　　可以看出，此時(shí)測量點(diǎn)電壓為：V_out=V_sig×(R_L ||R_in ||(1/(C_in×s)))/(R_L ||R_in ||(1/(C_in×s))+R_s );

　　其中R_in為輸入阻抗，C_in為寄生電容，s代表頻率?？梢钥闯?，此時(shí)測試點(diǎn)的電壓已經(jīng)發(fā)生了變化，這導致了探頭接入前后，信號本身已經(jīng)發(fā)生了改變。通過(guò)公式可以看出，R_in越大，對信號影響越小。而1/(C_in×s)這項是寄生電容與測量信號頻率的乘積的倒數，當測試信號頻率越高，則這項的影響就越大，要想降低該項的影響，只能盡量降低寄生電容C_in的容值。

　　下圖為×1探頭的模型：

　　圖 7 ×1探頭模型圖

　　由于探頭一定要有一段線(xiàn)，否則將不方便測量，而且線(xiàn)的長(cháng)度一般都會(huì )超過(guò)1米。這導致了其寄生電容非常大，大約為100pF左右。在測量高頻信號時(shí)會(huì )產(chǎn)生了很大的負載效應。我們再來(lái)看一下×10的探頭模型：

　　圖 8 ×10探頭模型圖

　　可以看出，×10探頭的輸入電容C_in是10pF與后面電容的串聯(lián)，按電容串聯(lián)公式計算可知，C_in一定是小于10pF的，遠小于×1探頭的輸入電容，且Rin已經(jīng)增加到10MΩ。所以×10探頭就有更小的寄生電容，更高的輸入電阻，從而大大減小了探頭的負載效應。

　　所以測量高速信號時(shí)，需要選擇×10或者更高衰輸入阻抗的探頭。

　　三、接地方式的選擇

　　傳統的使用習慣上，示波器的接地方式就是那根長(cháng)長(cháng)的接地夾線(xiàn)。這種接地方式，確實(shí)是一種簡(jiǎn)單方便的接地方式，但是卻并不是一種嚴謹的、準確的接地方式。

　　圖 9 接地夾線(xiàn)示意圖

　　由于地夾線(xiàn)比較長(cháng)，其會(huì )形成一個(gè)寄生電感L_gnd，隨著(zhù)夾線(xiàn)的增長(cháng)，這個(gè)電感也會(huì )增大，而這個(gè)回路電感會(huì )和示波器探頭的輸入電容C_in產(chǎn)生諧振。這就導致示波器的幅頻特性變得不平坦，導致測量不準確。下圖為使用接地夾時(shí)的等效電路。

　　圖 10 接地夾線(xiàn)等效電路圖

　　下圖為用該等效電路仿真出的頻譜特性曲線(xiàn)：

　　圖 11 頻譜特性曲線(xiàn)圖

　　可以看出，在60MHz以上的頻率，幅度已經(jīng)產(chǎn)生了超過(guò)3dB的過(guò)沖，而到達100M左右時(shí)，過(guò)沖到最大幅度。所以如果采用地夾，測量超過(guò)60MHz的信號就會(huì )產(chǎn)生比較大的失真。正確的方式應該是采用接地彈簧。接地彈簧具有非常小的電感，可以大大提升探頭的帶寬。

　　圖 12 接地彈簧示意圖

　　四、測量位置選擇

　　對于高頻信號而言，PCB走線(xiàn)已經(jīng)不能簡(jiǎn)單當做短路線(xiàn)來(lái)處理，而是需要考慮到線(xiàn)路上的傳播延時(shí)、信號反射等方面的影響。傳統低速信號之所以可以不考慮PCB走線(xiàn)的影響，是因為其波長(cháng)較長(cháng)，PCB走線(xiàn)的長(cháng)度可以忽略不計，從而當成集中元件來(lái)處理。但是高頻信號的波長(cháng)較短，PCB走線(xiàn)的長(cháng)度已經(jīng)不可能再被忽略，信號也必須從波的角度去考慮。下圖為同一信號在源端和終端測量到的波形：

　　圖 13 不同位置測量差別圖

　　之所以會(huì )這樣，是因為電信號在PCB上是向波一樣進(jìn)行傳輸。其傳播速度一般是光速的一半。所以會(huì )造成信號在PCB上傳播會(huì )發(fā)生延時(shí)，且會(huì )根據特性阻抗的變化而產(chǎn)生反射。上圖中信號的終端設備并沒(méi)有進(jìn)行端接，所以當信號來(lái)到終端時(shí)會(huì )產(chǎn)生一個(gè)反射的波，反射回源端，再經(jīng)過(guò)PCB上的延時(shí)，反射波和發(fā)射信號發(fā)生疊加，從而產(chǎn)生源端位置的波形。同理，不只是源端，在整個(gè)傳輸線(xiàn)上，發(fā)射信號與反射信號都會(huì )發(fā)生疊加，差別在于彼此的相位差不同，疊加波形也不同。

　　可以看出測量點(diǎn)位置的選擇，會(huì )導致測量結果的巨大差異。所以測量高速信號時(shí)，測量位置離終端設備越近越好，這樣才能真實(shí)的測量出終端設備接受到的信號是怎樣的波形。

　　本文中指出了一些測量高速信號的一些注意事項，歸納如下：

　　1.選擇示波器和探頭帶寬時(shí)至少要選擇被測量方波信號的5次諧波頻率以上的帶寬。

　　2.測量高速信號時(shí)，需要選擇×10或者更高輸入阻抗的探頭。

　　3.接地方式的選擇，應該盡可能的降低接地回路電感，如使用接地彈簧。這樣才能真正發(fā)揮測量系統的帶寬。

　　4.測量高速信號時(shí)，測量位置離終端設備越近越好，這樣才能真實(shí)的測量出終端設備接受到的是怎么樣的信號。

　　以上就是本文的主要內容。ZDS4054 Plus示波器具有500MHz帶寬，可以真實(shí)測量100MHz的方波信號，配合探頭可以實(shí)現9pF的輸入電容，大大降低測量負載效應，可以很好的測量大多數高速信號。