進(jìn)行準(zhǔn)確的高速時(shí)域測(cè)量可能具有挑戰(zhàn)性，但找到有助于改進(jìn)某種技術(shù)的信息不應(yīng)該如此。了解示波器和探頭的基礎(chǔ)知識(shí)總是有幫助的，但是可以采用一些額外的技巧和一些好的老式常識(shí)工程來(lái)幫助產(chǎn)生快速和準(zhǔn)確的結(jié)果。以下是我在過(guò)去25年中積累的一些技巧和技巧。將測(cè)量工具包中的一部分納入您的測(cè)量工具包中可以幫助您提高測(cè)量結(jié)果。

只需從架子上抓取示波器，抽屜中的探頭就無(wú)法進(jìn)行高速測(cè)量。在為高速測(cè)量選擇合適的示波器和探頭時(shí)，首先要考慮：信號(hào)幅度，源阻抗，上升時(shí)間和帶寬。

選擇示波器和探頭

有數(shù)百種示波器可用，從非常簡(jiǎn)單的便攜式型號(hào)到專(zhuān)用的機(jī)架式數(shù)字存儲(chǔ)示波器，可能需要花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)美元（僅一些高端探頭可能需要花費(fèi)超過(guò)10,000美元）。伴隨這些示波器的各種探頭也令人印象深刻，包括無(wú)源，有源，電流測(cè)量，光學(xué)，高壓和差分類(lèi)型。提供對(duì)可用的每個(gè)示波器和探頭類(lèi)別的完整和全面的描述超出了本文的范圍，因此我們將重點(diǎn)關(guān)注利用無(wú)源探頭進(jìn)行高速電壓測(cè)量的范圍。

示波器這里討論的探針和探針用于測(cè)量以寬帶寬和短上升時(shí)間為特征的信號(hào)。除了這些規(guī)范外，還需要了解電路對(duì)負(fù)載電阻，電容和電感的敏感性。使用高電容探頭時(shí)，快速上升時(shí)間會(huì)變形;在某些應(yīng)用中，電路可能根本不能容忍探頭的存在（例如，當(dāng)電容放在其輸出端時(shí)，某些高速放大器會(huì)振鈴）。了解電路限制和期望將有助于您選擇適當(dāng)?shù)氖静ㄆ骱吞筋^組合以及使用它們的最佳技術(shù)。

首先，信號(hào)帶寬和上升時(shí)間將限制范圍選擇。一般準(zhǔn)則是示波器和探頭帶寬應(yīng)至少為被測(cè)信號(hào)帶寬的三到五倍。

帶寬

被測(cè)信號(hào)是否以模擬信號(hào)或在數(shù)字電路中，示波器需要有足夠的帶寬來(lái)忠實(shí)地再現(xiàn)信號(hào)。對(duì)于模擬測(cè)量，測(cè)量的最高頻率將決定示波器帶寬。對(duì)于數(shù)字測(cè)量，通常是上升時(shí)間 - 而不是重復(fù)率 - 決定了所需的帶寬。示波器的帶寬以-3 dB頻率為特征，即正弦波顯示幅度下降到輸入幅度的70.7％的點(diǎn)，即

（1）

確保示波器具有足夠的帶寬以最小化錯(cuò)誤。絕不應(yīng)在示波器-3 dB帶寬附近的頻率下進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)檫@會(huì)在正弦波測(cè)量中引入30％的自動(dòng)幅度誤差。圖1是一個(gè)方便的曲線(xiàn)圖，顯示了幅度精度的典型降額與被測(cè)量的最高頻率與示波器帶寬之比。

例如，300 MHz示波器將高達(dá)30％ 300 MHz時(shí)的誤差。為了將誤差保持在3％以下，可測(cè)量的最大信號(hào)帶寬約為0.3×300 MHz或90 MHz。換句話(huà)說(shuō)，要準(zhǔn)確測(cè)量100 MHz信號(hào)（<3％誤差），您需要至少300 MHz的帶寬。圖1中的圖表說(shuō)明了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：為保持幅度誤差合理，示波器和探頭組合的帶寬應(yīng)至少為被測(cè)信號(hào)帶寬的三到五倍。對(duì)于幅度誤差小于1％，示波器帶寬必須至少是信號(hào)帶寬的五倍。

對(duì)于數(shù)字電路，上升時(shí)間特別令人感興趣。為確保示波器能夠忠實(shí)地再現(xiàn)上升時(shí)間，可以使用預(yù)期或預(yù)期的上升時(shí)間來(lái)確定示波器的帶寬要求。該關(guān)系假定電路響應(yīng)類(lèi)似于單極低通RC網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

響應(yīng)施加的電壓階躍，輸出電壓可以使用公式2。

（2）

響應(yīng)步長(zhǎng)的上升時(shí)間定義為輸出從步幅的10％到90％所需的時(shí)間。使用公式2，脈沖的10％點(diǎn)為0.1 RC，90％點(diǎn)為2.3 RC。他們之間的區(qū)別是2.2 RC。由于-3 dB帶寬 f 等于1 /（2πRC），上升時(shí)間t r 為2.2 RC，

因此，利用單極探針響應(yīng)，可以使用公式3來(lái)求解信號(hào)的等效帶寬，了解上升時(shí)間。例如，如果信號(hào)的上升時(shí)間為2 ns，則等效帶寬為175 MHz。

（4）

< p>為了將誤差保持在3％，示波器加探頭帶寬應(yīng)至少比被測(cè)信號(hào)快三倍。因此，應(yīng)使用600 MHz示波器精確測(cè)量2 ns的上升時(shí)間。

探頭解剖

鑒于它們的簡(jiǎn)單性，探頭是非常了不起的器件。探頭由探頭尖端（包含并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)），一段屏蔽線(xiàn)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和接地夾組成。探頭最重要的要求是盡可能少地在示波器和電路之間提供一個(gè)非侵入性接口，同時(shí)允許示波器呈現(xiàn)接近完美的被測(cè)信號(hào)表示。

探頭在真空管的時(shí)代重新開(kāi)始。對(duì)于柵格和板的測(cè)量，需要高阻抗以最小化信號(hào)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。這個(gè)原則今天仍然很重要。高阻抗探頭不會(huì)顯著加載電路，從而可以準(zhǔn)確了解測(cè)量節(jié)點(diǎn)的真實(shí)情況。

根據(jù)我在實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)，最常用的探頭是10×和1×無(wú)源探頭; 10×有源FET探頭緊隨其后。 10倍無(wú)源探頭將信號(hào)衰減10倍。它具有10M歐姆輸入阻抗和10pF典型尖端電容。沒(méi)有衰減的1×探頭直接測(cè)量信號(hào)。它具有1M歐姆的輸入阻抗，尖端電容高達(dá)100 pF。圖3顯示了10×10M歐姆探頭的典型示意圖。

R P （9M ohm）和Cp在探頭尖端，R1是示波器輸入電阻，C1將示波器輸入電容和電容組合在補(bǔ)償盒中探頭。為了精確測(cè)量，兩個(gè)RC時(shí)間常數(shù)（R p C p 和R 1 C 1 ）必須是等于;不平衡會(huì)在上升時(shí)間和幅度上引入誤差。因此，在進(jìn)行測(cè)量之前始終校準(zhǔn)示波器和探頭非常重要。

校準(zhǔn)

獲取工作示波器和探頭后應(yīng)首先做的事情之一是校準(zhǔn)探頭以確保其內(nèi)部RC時(shí)間常數(shù)匹配。通常會(huì)跳過(guò)此步驟，因?yàn)樗徽J(rèn)為是不必要的。

圖4顯示了如何將探頭正確連接到示波器的探頭補(bǔ)償輸出。通過(guò)使用非磁性調(diào)節(jié)工具旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償盒上的調(diào)節(jié)螺釘來(lái)完成校準(zhǔn)，直到達(dá)到平坦響應(yīng)。

圖5顯示了由補(bǔ)償不足，過(guò)補(bǔ)償?shù)奶筋^產(chǎn)生的波形，并妥善補(bǔ)償。

注意欠補(bǔ)償或過(guò)補(bǔ)償探頭如何在上升時(shí)間和幅度測(cè)量中引入顯著誤差。一些示波器具有內(nèi)置校準(zhǔn)。如果您的示波器有一個(gè)，請(qǐng)確保在進(jìn)行測(cè)量之前運(yùn)行它。

圖5.探頭補(bǔ)償：a ）補(bǔ)償不足。 b）過(guò)度補(bǔ)償。 c）適當(dāng)補(bǔ)償。

地面剪輯和高 - 速度測(cè)量

它們固有的寄生電感使得接地夾和實(shí)際的高速測(cè)量相互排斥。圖6顯示了帶有接地夾的示波器探頭的示意圖。探頭LC組合形成串聯(lián)諧振電路 - 諧振電路是振蕩器的基礎(chǔ)。

這種增加的電感不是一個(gè)理想的特性，因?yàn)橄盗?- LC組合可以為其他干凈的波形增加顯著的過(guò)沖和振鈴。由于示波器的帶寬有限，這種振鈴和過(guò)沖通常不被注意。例如，如果使用100 MHz示波器測(cè)量包含200 MHz振蕩的信號(hào)，則振鈴將不可見(jiàn)，并且由于帶寬有限，信號(hào)將高度衰減。請(qǐng)記住，對(duì)于100 MHz示波器，圖1在100 MHz時(shí)顯示3 dB衰減，每倍頻程持續(xù)下降6 dB。因此，200 MHz寄生振鈴將下降近9 dB，減少到原始振幅的近35％，這使得很難看到。然而，通過(guò)更高速度的測(cè)量和更寬的帶寬范圍，地面剪輯的影響清晰可見(jiàn)。

接地片引入的振鈴頻率可以通過(guò)使用公式5計(jì)算接地片的串聯(lián)電感來(lái)近似。 L 是nanohenrys中的電感， l 是以英寸為單位的電線(xiàn)長(zhǎng)度， d 是以英寸為單位的電線(xiàn)直徑。

然后可以將公式5的結(jié)果插入公式6中以計(jì)算諧振頻率， f （Hz）。 L 是henrys中接地夾的電感， C 是被探測(cè)節(jié)點(diǎn)的總電容（法拉） - 探頭電容加上任何寄生電容。

（6）

讓我們看一些使用不同長(zhǎng)度的地面剪輯的例子。在第一個(gè)示例中，使用11 pF探頭和6.5英寸接地夾來(lái)測(cè)量快速上升的脈沖邊沿。結(jié)果如圖7所示。乍一看脈沖響應(yīng)看起來(lái)很干凈，但經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查，可以看到非常低水平的100 MHz阻尼振蕩。

讓我們用物理代替等式5和6中探頭的特征，用于檢查此100 MHz振蕩是否由接地引線(xiàn)引起。接地夾長(zhǎng)度為6.5英寸，導(dǎo)線(xiàn)直徑為0.03英寸;這產(chǎn)生190nH的電感。將該值插入公式6，以及 C = 13 pF（來(lái)自示波器探頭的11 pF和2 pF的雜散電容）產(chǎn)生大約101 MHz。這與觀(guān)察到的頻率的良好相關(guān)性使我們得出結(jié)論，6.5英寸接地夾是低電平振蕩的原因。

現(xiàn)在考慮一種更極端的情況，即應(yīng)用更快的信號(hào)，上升時(shí)間為2 ns。這通?？梢栽谠S多高速PC板上找到。使用TDS2000系列示波器，圖8a顯示存在顯著的過(guò)沖和長(zhǎng)時(shí)間振鈴。原因是2 ns的更快上升時(shí)間，其帶寬相當(dāng)于175 MHz，具有足夠的能量來(lái)刺激探針引線(xiàn)的100 MHz系列LC。過(guò)沖和振鈴峰峰值約為50％。典型接地的這種影響清晰可見(jiàn)，在高速測(cè)量中完全不可接受。

通過(guò)消除接地引線(xiàn)，對(duì)所施加的輸入信號(hào)的響應(yīng)顯示出更好的保真度（圖8b）。 p>

圖8. a）使用6.5英寸接地夾以2 ns上升時(shí)間對(duì)步進(jìn)響應(yīng)。 b）沒(méi)有地線(xiàn)的階躍響應(yīng)。

準(zhǔn)備高速測(cè)量的探頭

為了獲得有意義的范圍圖我們需要擺脫接地電路夾住并拆除探頭。那是對(duì)的，把那個(gè)非常好的探針?lè)珠_(kāi)！丟棄的第一件事是壓入式探頭尖端適配器。接下來(lái)，擰下探頭尖端周?chē)乃芰咸坠堋?/p>

圖9. a）探測(cè)開(kāi)箱即用。 b）準(zhǔn)備進(jìn)行高速測(cè)量的探頭。 c）使用未經(jīng)修改的探頭進(jìn)行測(cè)量。d）使用高速探頭進(jìn)行測(cè)量。

圖10.精簡(jiǎn)范圍探針的基礎(chǔ)方法。

下一步去是地面剪輯。圖9顯示了示波器探頭的前（a）和后（b）轉(zhuǎn)換。圖9c顯示了使用6英寸接地夾測(cè)量脈沖發(fā)生器的上升沿; （d）顯示了配置用于高速測(cè)量的探頭的相同測(cè)量，如9b所示。結(jié)果與圖8中的結(jié)果一樣，可能是戲劇性的。接下來(lái)，需要校準(zhǔn)簡(jiǎn)化的剝離探針（參見(jiàn)圖4）。校準(zhǔn)后，探頭即可使用。只需轉(zhuǎn)到測(cè)試點(diǎn)，然后在探頭的外部金屬屏蔽上拾取一個(gè)局部接地。訣竅是在示波器探頭屏蔽處拾取接地連接。這消除了使用提供的探頭接地夾引入的任何串聯(lián)電感。圖10a顯示了使用流線(xiàn)型探針的正確探測(cè)技術(shù)。如果無(wú)法方便地接地，請(qǐng)使用一對(duì)金屬鑷子，小螺絲刀或甚至回形針來(lái)接地，如圖10b所示。如圖10c所示，可以在尖端周?chē)p繞一段總線(xiàn)，以允許更多的靈活性并能夠探測(cè)多個(gè)點(diǎn)（在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)）。

更好，如果可行的話(huà)，是在板上設(shè)計(jì)專(zhuān)用的高頻測(cè)試點(diǎn)（圖11）。這種探頭尖端適配器為使用裸探頭尖端提供了上述所有優(yōu)勢(shì)，可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量多個(gè)點(diǎn)。

探頭電容效應(yīng)

探頭電容會(huì)影響上升時(shí)間和幅度測(cè)量;它還會(huì)影響某些器件的穩(wěn)定性。

探頭電容直接增加了被探測(cè)的節(jié)點(diǎn)電容。增加的電容會(huì)增加節(jié)點(diǎn)時(shí)間常數(shù)，從而減慢脈沖的上升沿和下降沿。例如，如果脈沖發(fā)生器連接到任意容性負(fù)載，其中 C L = C 1 ，如圖12所示，相關(guān)的上升時(shí)間可以從公式8計(jì)算，其中 R S （= R 1 < / em>，如圖12所示，是源阻力。

（7 ）

如果 R S = 50歐姆且 C < sub> L = 20 pF，然后 t r = 2.2 ns。

接下來(lái)，讓我們考慮相同的電路用10 pF，10×探針探測(cè)。新電路如圖13所示。總電容現(xiàn)在為31 pF，新的上升時(shí)間為3.4 ns，上升時(shí)間增加了54％以上！顯然這是不可接受的，但還有其他選擇嗎？

有源探頭是探測(cè)高速電路的另一個(gè)不錯(cuò)的選擇。與衰減信號(hào)的無(wú)源探頭相比，有源或FET探頭包含放大信號(hào)的有源晶體管（通常是FET）。有源探頭的優(yōu)勢(shì)在于其極寬的帶寬，高輸入阻抗和低輸入電容。另一種方法是使用具有高衰減系數(shù)的示波器探頭。通常，較高衰減系數(shù)的探頭具有較小的電容。

探頭尖端電容不僅會(huì)導(dǎo)致上升時(shí)間測(cè)量誤差;它還可能導(dǎo)致某些電路振鈴，過(guò)沖，或者在極端情況下變得不穩(wěn)定。例如，許多高速運(yùn)算放大器對(duì)其輸出端和反相輸入端的電容負(fù)載的影響很敏感。

當(dāng)輸出端引入電容（在本例中為示波器探頭尖端）時(shí)在高速放大器中，放大器的輸出電阻和電容在反饋?lái)憫?yīng)中形成一個(gè)額外的極點(diǎn)。極點(diǎn)引入相移并降低放大器的相位裕度，這可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。相位裕度的損失可能導(dǎo)致振鈴，過(guò)沖和振蕩。圖14顯示了使用Tektronix P61131 10 pF，10倍示波器探頭，使用適當(dāng)?shù)母咚俳拥靥綔y(cè)高速放大器的輸出。該信號(hào)具有1300 mV的過(guò)沖，12 ns的持續(xù)振鈴。顯然，這不適合這個(gè)應(yīng)用程序。

幸運(yùn)的是，這個(gè)問(wèn)題有一些解決方案。首先，使用較低電容的探頭。在圖15中，使用Tektronix P6204 1.1 GHz 有源 10×FET探頭（1.7 pF）進(jìn)行相同的測(cè)量，如圖14所示，再次進(jìn)行適當(dāng)?shù)母咚俳拥亍?/p>

在這種情況下，使用較低電容的有源探頭可以顯著降低過(guò)沖（600 mV）和振鈴（5 ns）。

另一種技術(shù)是包含少量系列使用示波器探頭的電阻（通常為25歐姆至50歐姆）。這將有助于隔離放大器輸出的電容并減少振鈴和過(guò)沖。

傳播延遲

測(cè)量傳播延遲的一種簡(jiǎn)單方法是探測(cè)被測(cè)器件（DUT） ）同時(shí)輸入和輸出。傳感延遲可以很容易地從示波器顯示中讀取為兩個(gè)波形之間的時(shí)間差。

然而，在測(cè)量短傳播延遲（<10 ns）時(shí)，必須注意確保兩個(gè)示波器探頭是相同的長(zhǎng)度。由于導(dǎo)線(xiàn)中的傳播延遲大約為1.5 ns / ft，因此配對(duì)不同長(zhǎng)度的探頭會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的誤差。例如，使用3英尺探頭和6英尺探頭測(cè)量信號(hào)的傳播延遲會(huì)引入大約4.5 ns的延遲誤差 - 在進(jìn)行單位或雙位納秒測(cè)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重誤差。

如果兩個(gè)相等長(zhǎng)度的探頭不可用（通常是這種情況），請(qǐng)執(zhí)行以下操作：將兩個(gè)探頭連接到公共源（例如，脈沖發(fā)生器）并記錄傳播延遲差異。這是“校準(zhǔn)因子”。然后通過(guò)從較長(zhǎng)探針讀數(shù)中減去該數(shù)字來(lái)校正測(cè)量結(jié)果。

結(jié)論

雖然高速測(cè)試并不過(guò)分復(fù)雜，但影響因素很多在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高速時(shí)域測(cè)量時(shí)必須考慮。帶寬，校準(zhǔn)，上升時(shí)間測(cè)量范圍和探頭選擇以及探頭尖端和接地引線(xiàn)長(zhǎng)度都在測(cè)量的質(zhì)量和完整性中起著重要作用。采用這里提到的一些技術(shù)將有助于加快測(cè)量過(guò)程并提高結(jié)果的整體質(zhì)量。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com和www.tek.com。

參考電路

1 ABC的Probes Primer 。 Tektronix，Inc。2005。

2 Mittermayer，Christoph和Andreas Steininger。 “用示波器確定上升時(shí)間測(cè)量的動(dòng)態(tài)誤差。” IEEE儀表與測(cè)量指南，48-6。 1999年12月。

3 Millman，Jacob和Herbert Taub。 脈沖，數(shù)字和開(kāi)關(guān)波形。麥格勞 - 希爾，1965年.ISBN 07-042386-5。

4 探針輸入電容對(duì)測(cè)量精度的影響。 Tektronix，Inc。1996。

致謝

圖1，圖6，圖7，圖8，圖11，圖12和圖13由Tektronix公司提供，經(jīng)許可。