示波器測(cè)量高速信號(hào)時(shí)的注意事項(xiàng)

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，通信信號(hào)頻率越來(lái)越高，信號(hào)質(zhì)量要求也越來(lái)越嚴(yán)。測(cè)量這些高速信號(hào)是不是只要選一個(gè)昂貴的示波器就行了呢?其實(shí)不然，如果一些細(xì)節(jié)沒(méi)有被注意，再貴的示波器也不見(jiàn)得測(cè)得準(zhǔn)!

一、帶寬選擇

測(cè)量高速信號(hào)，首先要考慮測(cè)試系統(tǒng)的帶寬，這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的帶寬包括探頭的帶寬和示波器的帶寬。要測(cè)量100MHz的信號(hào)，用一個(gè)100MHz帶寬的示波器是不是就可以了?一些用戶可能對(duì)帶寬的概念并不是很清晰。認(rèn)為100MHz帶寬的示波器就可以測(cè)量100MHz的信號(hào)了，其實(shí)并不是這樣。帶寬所指的頻率是正弦波信號(hào)衰減到-3dB時(shí)的頻率，而我們一般測(cè)量的數(shù)字信號(hào)都不是正選波，而是接近方波。這兩者對(duì)帶寬的需求是不同的。

根據(jù)傅里葉變換可知，方波可以分解為奇次倍數(shù)頻率的正弦波。比如1MHz的方波，是由1MHz、3MHz、5MHz、7MHz......等正弦波疊加而成。下圖為不同濾波器下方波信號(hào)的響應(yīng)。分別為把濾波器設(shè)置為方波基頻頻率、3次諧波頻譜、5次諧波頻率、7次諧波頻率的方波響應(yīng)。

圖 1 截至頻率為方波頻率的濾波情況

圖 2 截至頻率為方波3次諧波頻率的濾波情況

圖 3 截至頻率為方波5次諧波頻率的濾波情況

圖 4 截至頻率為方波7次諧波頻率的濾波情況

可以看出想要得到較為完整的方波信息，最少需要5次諧波分量，而且如果想要獲得更加準(zhǔn)確的信息，就需要能夠測(cè)量到更多的諧波分量。

所以選擇示波器和探頭帶寬時(shí)至少要選擇被測(cè)量方波信號(hào)的5次諧波頻率以上的帶寬。

二、探頭的選擇

示波器是無(wú)法直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的，必須通過(guò)一個(gè)物理連接將信號(hào)傳輸?shù)绞静ㄆ鲀?nèi)。這種物理連接就是探頭。探頭對(duì)高速信號(hào)測(cè)量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。普通無(wú)源探頭一般有1:1探頭和10：1探頭兩種。這兩種探頭除了衰減比例不同外，還會(huì)對(duì)高速信號(hào)產(chǎn)生很大的差異。想要解釋這個(gè)問(wèn)題，需要現(xiàn)討論一下探頭的一個(gè)關(guān)鍵特性——負(fù)載效應(yīng)。

理想情況下，我們希望我們的測(cè)量設(shè)備的阻抗無(wú)窮大，這樣測(cè)試設(shè)備的接入就不會(huì)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，從而保證測(cè)量的真實(shí)性。但是遺憾的是測(cè)量系統(tǒng)不可能有無(wú)窮大的輸入阻抗，而這時(shí)候，測(cè)量設(shè)備的接入，會(huì)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生什么影響呢?假設(shè)被測(cè)試系統(tǒng)如下圖所示。

圖 5 被測(cè)系統(tǒng)等效示意圖

可以看出，測(cè)量點(diǎn)電壓：V_out=V_sig×R_L/(R_L+R_S );

而當(dāng)采用示波器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于示波器的輸入電阻和寄生電容，會(huì)使得此時(shí)的等效電路圖如下圖所示：

圖 6 探頭接入等效示意圖

可以看出，此時(shí)測(cè)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(cè)試點(diǎn)的電壓已經(jīng)發(fā)生了變化，這導(dǎo)致了探頭接入前后，信號(hào)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(duì)信號(hào)影響越小。而1/(C_in×s)這項(xiàng)是寄生電容與測(cè)量信號(hào)頻率的乘積的倒數(shù)，當(dāng)測(cè)試信號(hào)頻率越高，則這項(xiàng)的影響就越大，要想降低該項(xiàng)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，否則將不方便測(cè)量，而且線的長(zhǎng)度一般都會(huì)超過(guò)1米。這導(dǎo)致了其寄生電容非常大，大約為100pF左右。在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生了很大的負(fù)載效應(yīng)。我們?cè)賮?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(jì)算可知，C_in一定是小于10pF的，遠(yuǎn)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(fù)載效應(yīng)。

所以測(cè)量高速信號(hào)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(tǒng)的使用習(xí)慣上，示波器的接地方式就是那根長(zhǎng)長(zhǎng)的接地夾線。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(yán)謹(jǐn)?shù)?、?zhǔn)確的接地方式。

圖 9 接地夾線示意圖

由于地夾線比較長(zhǎng)，其會(huì)形成一個(gè)寄生電感L_gnd，隨著夾線的增長(zhǎng)，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(dǎo)致示波器的幅頻特性變得不平坦，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。下圖為使用接地夾時(shí)的等效電路。

圖 10 接地夾線等效電路圖

下圖為用該等效電路仿真出的頻譜特性曲線：

圖 11 頻譜特性曲線圖

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(dá)100M左右時(shí)，過(guò)沖到最大幅度。所以如果采用地夾，測(cè)量超過(guò)60MHz的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生比較大的失真。正確的方式應(yīng)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(cè)量位置選擇

對(duì)于高頻信號(hào)而言，PCB走線已經(jīng)不能簡(jiǎn)單當(dāng)做短路線來(lái)處理，而是需要考慮到線路上的傳播延時(shí)、信號(hào)反射等方面的影響。傳統(tǒng)低速信號(hào)之所以可以不考慮PCB走線的影響，是因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)較長(zhǎng)，PCB走線的長(zhǎng)度可以忽略不計(jì)，從而當(dāng)成集中元件來(lái)處理。但是高頻信號(hào)的波長(zhǎng)較短，PCB走線的長(zhǎng)度已經(jīng)不可能再被忽略，信號(hào)也必須從波的角度去考慮。下圖為同一信號(hào)在源端和終端測(cè)量到的波形：

圖 13 不同位置測(cè)量差別圖

之所以會(huì)這樣，是因?yàn)殡娦盘?hào)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(hào)在PCB上傳播會(huì)發(fā)生延時(shí)，且會(huì)根據(jù)特性阻抗的變化而產(chǎn)生反射。上圖中信號(hào)的終端設(shè)備并沒(méi)有進(jìn)行端接，所以當(dāng)信號(hào)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(hào)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)傳輸線上，發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)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(cè)量點(diǎn)位置的選擇，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的巨大差異。所以測(cè)量高速信號(hào)時(shí)，測(cè)量位置離終端設(shè)備越近越好，這樣才能真實(shí)的測(cè)量出終端設(shè)備接受到的信號(hào)是怎樣的波形。

本文中指出了一些測(cè)量高速信號(hào)的一些注意事項(xiàng)，歸納如下：

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

2.測(cè)量高速信號(hào)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(yīng)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(cè)量系統(tǒng)的帶寬。

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

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