測試測量關(guān)鍵基礎之示波器（一）

　　圖3，放大器的典型電路

　　圖4，放大器的等效電路模型

　　圖5，放大器的理想波特圖

　　至此，我們知道帶寬f2即輸出電壓降低到輸入電壓70.7%時(shí)的頻率點(diǎn)。 根據放大器的等效模型，我們可進(jìn)一步推導示波器的上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系式，即我們常提到的0.35的關(guān)系：上升時(shí)間=0.35/帶寬，推導過(guò)程如下圖6所示。 需要說(shuō)明的是，0.35是基于高斯響應的理論值，實(shí)際測量系統中這個(gè)數值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會(huì )標明“上升時(shí)間”指標。 示波器測量出來(lái)的上升時(shí)間與真實(shí)的上升時(shí)間之間存在下面的關(guān)系式。 在對快沿信號測試中，需要通過(guò)該關(guān)系式來(lái)修正實(shí)際被測信號的上升時(shí)間。

　　Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2

　　圖6，示波器上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系

　　示波器前端放大器幅頻特性的波特圖是新示波器發(fā)布的“出生證”。 示波器每年需要進(jìn)行校準，波特圖是第一需要校準的數據。示波器波特圖的測量方法如圖7所示。 信號源從10MHz頻率開(kāi)始逐漸遞增發(fā)送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器將輸入的信號能量等分為二后通過(guò)等長(cháng)的線(xiàn)纜分別送到示波器和功率計。 功分器和線(xiàn)纜是無(wú)源器件，可以嚴格定標，信號源本身的幅頻特性不可以作為定標儀器，需要通過(guò)功率計實(shí)測的能量來(lái)作為示波器的輸入幅值的定標值。 有時(shí)候客戶(hù)會(huì )對示波器的波特圖很感興趣，直接用信號源連接到示波器來(lái)評估示波器的波特圖，在帶寬超過(guò)1GHz時(shí)這種方法是很不嚴謹的。需要用功率計來(lái)作為定標工具!

五、示波器探頭原理及種類(lèi)詳解

　　任何使用過(guò)示波器的人都會(huì )接觸過(guò)探頭，通常我們說(shuō)的示波器是用來(lái)測電壓信號的（也有測光或電流的，都是先通過(guò)相應的傳感器轉成電壓量測量），探頭的主要作用是把被測的電壓信號從測量點(diǎn)引到示波器進(jìn)行測量。

　　大部分人會(huì )比較關(guān)注示波器本身的使用，卻忽略了探頭的選擇。實(shí)際上探頭是介于被測信號和示波器之間的中間環(huán)節，如果信號在探頭處就已經(jīng)失真了，那么示波器做的再好也沒(méi)有用。實(shí)際上探頭的設計要比示波器難得多，因為示波器內部可以做很好的屏蔽，也不需要頻繁拆卸，而探頭除了要滿(mǎn)足探測的方便性的要求以外，還要保證至少和示波器一樣的帶寬，難度要大得多。因此最早高帶寬的實(shí)時(shí)示波器剛出現時(shí)是沒(méi)有相應的探頭的，又過(guò)了一段時(shí)間探頭才出來(lái)。

　　要選擇合適的探頭，首要的一點(diǎn)是要了解探頭對測試的影響，這其中包括2部分的含義：1/探頭對被測電路的影響；2/探頭造成的信號失真。理想的探頭應該是對被測電路沒(méi)有任何影響，同時(shí)對信號沒(méi)有任何失真的。遺憾的是，沒(méi)有真正的探頭能同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)條件，通常都需要在這兩個(gè)參數間做一些折衷。

　　為了考量探頭對測量的影響，我們通?？梢园烟筋^模型簡(jiǎn)單等效為一個(gè)R、L、C的模型，把這個(gè)模型和我們的被測電路放在一起分析。

　　首先，探頭本身有輸入電阻。和萬(wàn)用表測電壓的原理一樣，為了盡可能減少對被測電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。但由于Rprobe不可能做到無(wú)窮大，所以就會(huì )和被測電路產(chǎn)生分壓，實(shí)際測到的電壓可能不是探頭點(diǎn)上之前的真實(shí)電壓，這在一些電源或放大器電路的測試中會(huì )經(jīng)常遇到。為了避免探頭電阻負載造成的影響，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探頭的輸入阻抗在幾十k歐姆到幾十兆歐姆間。

　　其次，探頭本身有輸入電容。這個(gè)電容不是刻意做進(jìn)去的，而是探頭的寄生電容。這個(gè)寄生電容也是影響探頭帶寬的最重要因素，因為這個(gè)電容會(huì )衰減高頻成分，把信號的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下Cprobe應該為0，但是實(shí)際做不到。一般無(wú)源探頭的輸入電容在10pf至幾百pf間，帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pf至幾pf間。

　　再其次，探頭輸入端還會(huì )受到電感的影響。探頭的輸入電阻和電容都比較好理解，探頭輸入端的電感卻經(jīng)常被忽視，尤其是在高頻測量的時(shí)候。電感來(lái)自于哪里呢？我們知道有導線(xiàn)就會(huì )有電感，探頭和被測電路間一定會(huì )有一段導線(xiàn)連接，同時(shí)信號的回流還要經(jīng)過(guò)探頭的地線(xiàn)。通常1mm探頭的地線(xiàn)會(huì )有大約1nH的電感，信號和地線(xiàn)越長(cháng)，電感值越大。探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，當電感值太大時(shí)，在輸入信號的激勵下就有可能產(chǎn)生高頻諧振，造成信號的失真。所以高頻測試時(shí)需要嚴格控制信號和地線(xiàn)的長(cháng)度，否則很容易產(chǎn)生振鈴。

　　在了解探頭的結構之前，需要先了解一下示波器輸入接口的結構，因為這里是連接探頭的地方，示波器的輸入接口電路和探頭共同組成了我們的探測系統。

　　大部分的示波器輸入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式。示波器的輸入端有1M歐姆或50歐姆的匹配電阻。示波器的探頭種類(lèi)很多，但是示波器的的匹配永遠只有1M歐姆或50歐姆兩種選擇，不同種類(lèi)的探頭需要不同的匹配電阻形式。

　　從電壓測量的角度來(lái)說(shuō)，為了對被測電路影響小，示波器可以采用1M歐姆的高輸入阻抗，但是由于高阻抗電路的帶寬很容易受到寄生電容的影響。所以1M歐姆的輸入阻抗廣泛應用與500M帶寬以下的測量。對于更高頻率的測量，通常采用50歐姆的傳輸線(xiàn)，所以示波器的50歐姆匹配主要用于高頻測量。

　　傳統上來(lái)說(shuō)，市面上100MHz帶寬以下的示波器大部分只有1M歐姆輸入，因為不會(huì )用于高頻測量；100MHz～1GHz帶寬的示波器大部分有1M歐姆和50歐姆的切換選擇，同時(shí)兼顧高低頻測量；2GHz或更高帶寬的示波器由于主要用于高頻測量，所以大部分只有50歐姆輸入。不過(guò)隨著(zhù)市場(chǎng)的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1M歐姆和50歐姆的輸入切換。

　　廣義的意義上說(shuō)，測試電纜也屬于一種探頭，比如BNC或SMA電纜，而且這種探頭既便宜性能又高。但是使用測試電纜連接時(shí)需要在被測電路上也有BNC或SMA的接口，所以應用場(chǎng)合有限，主要用于射頻和微波信號測試。對于數字或通用信號的測試，還是需要專(zhuān)門(mén)的探頭。

　　示波器的探頭按是否需要供電可以分為無(wú)源探頭和有源探頭，按測量的信號類(lèi)型可以分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。所謂的無(wú)源探頭，是指整個(gè)探頭都由無(wú)源器件構成，包括電阻、電容、電纜等；而有源探頭內部一般有放大 器，放大器是需要供電的，所以叫有源探頭。
無(wú)源探頭根據輸入阻抗的大小又分為高阻無(wú)源探頭和低阻無(wú)源探頭兩種。

　　高阻無(wú)源探頭即我們通常所說(shuō)的無(wú)源探頭，應用最為廣泛，基本上每個(gè)使用過(guò)示波器的人都接觸過(guò)這種探頭。高阻無(wú)源探頭和示波器相連時(shí)，要求示波器端的輸入阻抗是1M歐姆。以下是一個(gè)10：1 高阻無(wú)源探頭的原理框圖。

　　為了方便測量，探頭通常都會(huì )有1米左右的長(cháng)度，如果不加匹配電路，很難想象探頭能夠提供數百兆Hz的帶寬的。示波器的輸入寄生電容也會(huì )影響帶寬。為了改善探頭的高頻相應，探頭前端會(huì )有相應的匹配電路，最典型的就是一個(gè)Rprobe和Cprobe的并聯(lián)結構。探頭要在帶內產(chǎn)生平坦增益的一個(gè)條件是要滿(mǎn)足Rprobe*Cprobe=Rscope*Cscope，具體推導就不做了，感興趣的可以自己推一下。我們前面介紹過(guò)，Cscope是示波器的寄生電容，所以其只能控制在一定范圍內，但不能精確控制，也就是說(shuō)不同示波器或示波器的不同通道間Cscope的值會(huì )不太一樣。為了補償不同通道Cscope的變化，在探頭接示波器的一端處一般至少會(huì )有一個(gè)可調電容Ccomp。