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本文介紹了如何選擇示波器探頭來(lái)捕獲高速信號(hào)：

隨著硅器件處理能力的大幅提升，無(wú)論是設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新一代半導(dǎo)體產(chǎn)品還是通訊系統(tǒng)， 工程師們都要應(yīng)對(duì)日益提高的信號(hào)速率。為使高速器件更高效地處理數(shù)據(jù)，他們通過(guò)不懈努 力，發(fā)明了可以增加外部總線帶寬的技術(shù)，能夠在電路板器件之間通過(guò)背板或電纜傳輸大量 數(shù)據(jù)。

提高信號(hào)頻率是一種增加總線帶寬的方法。因?yàn)樘岣咝盘?hào)頻率能夠減少數(shù)字信號(hào)的上升時(shí)間。性能較差的示波器探頭會(huì)導(dǎo)致這些具有迅速上升時(shí)間的信號(hào)的測(cè)量波形上出現(xiàn)過(guò)沖和振鈴。 工程師們必須確定設(shè)計(jì)中是否包含這些異常因素，以及是否由測(cè)量系統(tǒng)引起。

在高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，示波器探頭與被測(cè)電路接觸會(huì)引起寄生效應(yīng)，從而導(dǎo)致被測(cè)波形出現(xiàn)嚴(yán)重異常。此外，探頭還有可能給電路增加負(fù)載，導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生顯著變化或破壞。所以，充分了解示波器探頭對(duì)被測(cè)電路和被測(cè)波形有何影響，將會(huì)明顯改進(jìn)測(cè)量結(jié)果。

示波器探頭輸入阻抗

示波器設(shè)計(jì)師們已在提高采樣率、帶寬和精度方面取得了巨大進(jìn)步。為了使示波器在特定應(yīng)用中達(dá)到最佳使用性能，必須謹(jǐn)慎選擇和操作探頭。但實(shí)際上經(jīng)常會(huì)忽視附件的重要性。探頭是被測(cè)電路和示波器之間的主要連接工具。它即能影響測(cè)量結(jié)果，也會(huì)影響到被測(cè)電路的工作。

當(dāng)探頭與被測(cè)電路連接時(shí)，相當(dāng)于在該電路上添加了一個(gè)負(fù)載。該探頭負(fù)載會(huì)消耗額外的信號(hào)源電流，改變測(cè)試點(diǎn)之后的電路的工作情況，從而使測(cè)量信號(hào)發(fā)生變化。

若要獲得精確的測(cè)量結(jié)果，探頭必須捕獲信號(hào)并提供最真實(shí)的信號(hào)顯示，在其頻率范圍內(nèi)不能增添額外的負(fù)載，或使信號(hào)源發(fā)生變化。實(shí)際上，所有的探頭都會(huì)給被測(cè)電路添加一個(gè)復(fù)雜的負(fù)載（見圖 1）。因此，選擇探頭時(shí)要將該負(fù)載值限制在可以接受的范圍之內(nèi)。

探頭技術(shù)指標(biāo)列出了輸入阻抗和電容。這兩者結(jié)合示波器選用，可以改變被測(cè)電路并給其添加負(fù)載。電容器在低頻工作時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)開路電路，此時(shí)直流電阻成為形成電路負(fù)載的主要因素。電阻負(fù)載是探頭負(fù)載中影響最小的因素，因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生非線性的電路特性。

雖然低阻抗探頭泄漏的電流過(guò)多會(huì)引起非線性響應(yīng)或中斷電路工作，但目前使用的低壓、高速信號(hào)探頭已基本上解決了這個(gè)問(wèn)題。例如 In? 探頭、/96A 或 1156A/57A/58A。

圖 1. 示波器探頭的簡(jiǎn)易輸入阻抗模型（包含電阻、電容和電感分量）。

示波器探頭輸入阻抗

假設(shè)信號(hào)源阻抗是電阻，探頭的電阻分量會(huì)形成分壓器（由電路輸出阻抗和探頭輸入阻抗組成），這可以降低測(cè)量信號(hào)的電壓幅度但不改變其形狀（見圖 2）。探頭電阻相對(duì)于信號(hào)源阻抗越小，探頭負(fù)載所減少的測(cè)量波形電壓幅度就越多。此外，探頭阻抗相對(duì)于電路阻抗越小，流入探頭的電流就越大，對(duì)電路產(chǎn)生不良影響的幾率就越高。

當(dāng)信號(hào)頻率提高或邊沿速度降低時(shí)，探頭電容的特性就相當(dāng)于一個(gè)短路電路，使電流流入低阻抗探頭。在信號(hào)的高頻階段，電容電抗是產(chǎn)生電路負(fù)載的主要因素，可能會(huì)引起電路故障，因?yàn)榇藭r(shí)電路不能驅(qū)動(dòng)足夠的電壓裕量。

電容負(fù)載是導(dǎo)致探頭相關(guān)測(cè)量誤差的主要根源，因?yàn)樗鼤?huì)影響上升和下降時(shí)間、帶寬以及邊沿到邊沿時(shí)間的測(cè)量結(jié)果。電容負(fù)載可以通過(guò)引發(fā)指數(shù)響應(yīng)（圖 3）來(lái)改變測(cè)量波形的形狀，從而消除毛刺、減少振鈴和過(guò)沖，或減緩測(cè)量邊沿速度，使其恰好可以用來(lái)完成建立保持時(shí)間的違規(guī)設(shè)置。

圖 2. 電阻負(fù)載降低測(cè)量信號(hào)的幅度但未改變其形狀。

圖 3. 電容負(fù)載通過(guò)引發(fā)指數(shù)響應(yīng)改變測(cè)量信號(hào)波形。

圖 4 顯示了高達(dá) 6 GHz 的 1158A 探頭輸入阻抗。您可以看到在 1-MHz 以下的低頻階段中，探頭輸入阻抗主要由探頭直流電阻分量決定（100 kΩ）。隨著信號(hào)頻率的提高，電容電抗逐漸成為影響電路負(fù)載的主要分量。在 2-GHz 時(shí)， 1158A 的阻抗達(dá)到最低水平 165-Ω，此值由探針電阻器決定。

我們可以用 25-Ω 信號(hào)源生成的具有超快速邊沿的數(shù)字信號(hào)為例（見圖 5），說(shuō)明這些探頭因素如何影響測(cè)量波形和被測(cè)電路。您可以看到，當(dāng)探頭連接被測(cè)電路時(shí)，信號(hào)波形因探頭輸入阻抗而改變。

電感負(fù)載在測(cè)量信號(hào)中以振鈴形式出現(xiàn)（見圖 6）。產(chǎn)生振鈴的信號(hào)源為 LC 電路，由探頭內(nèi)部電容以及接地引線和探針的電感組成。通常在進(jìn)行任何類型的示波器測(cè)量時(shí)， 都應(yīng)選用盡量短的接地引線。這樣能夠減少電感，而且可以將振鈴頻率移至示波器和探頭帶寬之外，從而盡量減少對(duì)測(cè)量的影響。

圖 4. 增加頻率可以改變 1158A 探頭的輸入阻抗。

圖 5. 探頭在高頻條件下造成電路負(fù)載并且延長(zhǎng)電路產(chǎn)生全電壓的時(shí)間。

探頭傳輸響應(yīng)

影響探頭輸入阻抗并使探頭傳輸響應(yīng)發(fā)生變化的寄生參數(shù)，通常被稱為探頭的傳輸響應(yīng)。這種傳輸響應(yīng)定義為探頭輸出電壓與探頭輸入電壓的比率（Vout/Vin-），通常用幅度（dB）/ 頻率圖形來(lái)顯示。

在傳輸響應(yīng)低于 -3dB 或幅度降至 70.7% 時(shí)，探頭帶寬為連續(xù)頻段（圖 -6）。在探頭帶寬之外的頻率上，信號(hào)幅度將過(guò)度衰減，并且使測(cè)量結(jié)果難以預(yù)測(cè)。

圖 6. 帶寬是指當(dāng)儀器的傳輸響應(yīng)降低 3 dB 時(shí)的連續(xù)頻段。

在示波器探頭帶寬范圍內(nèi)示波器選用，您可以看到探頭輸出信號(hào)與探針輸入信號(hào)非常相符，偏差最小，因此您在示波器屏幕上看到的波形就是探針輸入端的信號(hào)。

在頻域中，探頭在盡量減少對(duì)信號(hào)的影響的條件下從輸入端到輸出端傳輸信號(hào)的能力， 表現(xiàn)為在整個(gè)探頭帶寬內(nèi)傳輸響應(yīng)都非常平坦（0-dB）。但是在實(shí)際條件下這很難實(shí)現(xiàn)。當(dāng)探頭與被測(cè)電路連接后，物理連接的寄生效應(yīng)和探頭內(nèi)部元件能夠形成諧振電路，其諧振頻率低于探頭帶寬（圖 -7）。該帶內(nèi)諧振將引起探頭輸出信號(hào)與輸入信號(hào)產(chǎn)生差異， 并以過(guò)沖和振鈴形式在測(cè)量波形上顯示。

圖 7 中的示例描述了非是德科技的 4-GHz 探頭的輸入電壓（V 輸入）上的帶內(nèi)阻抗。請(qǐng)注意，此時(shí)探頭的輸出電壓（V 輸出）與輸入電壓不相符。輸出電壓保持平坦，而探頭傳輸響應(yīng)（V 輸出 /V 輸入）達(dá)到 5-dB 的峰值。

圖 7. （上圖）25-Ω 系統(tǒng)中非是德科技 4 GHz 探頭的輸入電壓和輸出電壓的頻率響應(yīng)。（下圖） 探頭的傳輸響應(yīng)。輸入電壓諧振低至 3.5-GHz 時(shí)，輸出電壓保持平坦，傳輸響應(yīng)達(dá)到 5-dB 的峰值。

那么當(dāng)輸入電壓諧振時(shí)輸出電壓保持平坦存在什么問(wèn)題呢？難道這不是與未連接探頭時(shí)的信號(hào)情況相同嗎？這個(gè)問(wèn)題問(wèn)的好，但是請(qǐng)記住探頭傳輸響應(yīng)將一直處于 5-dB 的峰值，會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)失真，并且在測(cè)量波形中顯示額外的過(guò)沖和振鈴。

圖 -8 的測(cè)量是在兩端端接 50-Ω 負(fù)載的傳輸線的中點(diǎn)進(jìn)行的，信號(hào)源電阻顯示為25-Ω，并且探頭響應(yīng)與該類電路匹配。如果正在測(cè)量的電路不能提供理想的 25-Ω 信號(hào)源電阻，您將會(huì)看到探頭引起的信號(hào)失真。

可以通過(guò)實(shí)例對(duì)此類失真進(jìn)行更好的解釋說(shuō)明。假如使用 100-kΩ 探頭來(lái)測(cè)量具有100-kΩ 信號(hào)源電阻的電路的電壓，并且該探頭的傳輸響應(yīng)已針對(duì)這種類型的電路進(jìn)行了修改，可以顯示出探頭“實(shí)際”輸出電壓。因此，當(dāng)您將探頭連接到電路上，并將輸入電壓降低一半時(shí)，測(cè)量波形就像未連接探頭時(shí)一樣顯示全電壓幅度。

但是，當(dāng)探頭與具有 50-kΩ 信號(hào)源電阻的電路連接會(huì)發(fā)生什么情況呢？探頭的傳輸響應(yīng)仍然會(huì)改變測(cè)量波形，顯示的波形電壓比探頭輸入端的實(shí)際電壓高 33%。

最佳的探頭可以保證對(duì)被測(cè)電路的影響最小，并且從輸入端到輸出端傳輸?shù)碾妷菏д孀钚?。這樣您就可以觀察探針處的信號(hào)。

1156A/57A/58A 探頭通過(guò)在緊鄰被測(cè)點(diǎn)處安裝一個(gè)電阻器，解決了此類問(wèn)題。在探針上安裝電阻可以隔離探頭寄生效應(yīng)對(duì)被測(cè)電路的影響，并抑制諧振電路的形成。這樣可以使探頭傳輸響應(yīng)（V 輸出 /V 輸入）在高達(dá) 4-GHz 的整個(gè)帶寬內(nèi)保持平坦（圖- 8）。

通常，如果需要進(jìn)行精確的上升時(shí)間測(cè)量，應(yīng)選用盡量短的接地引線。

圖 8. （上圖） 1158A 4 GHz 探頭輸入電壓和輸出電壓的頻率響應(yīng)。（下圖）由于輸出電壓的頻率響應(yīng)與輸入電壓非常相符，但探頭傳輸響應(yīng)在探頭整個(gè) 4 GHz 帶寬內(nèi)保持平坦。

探頭附件

由于探測(cè)電路存在一定的探測(cè)難點(diǎn)，所以并非每次都可以將探頭與信號(hào)和地面直接相連。因此我們經(jīng)常會(huì)看到在電路上焊接有一小段電線，旨在方便探頭與信號(hào)和地面連接。但是，這些電線會(huì)產(chǎn)生更多的寄生效應(yīng)，顯著改變探頭的傳輸響應(yīng)，從而引發(fā)測(cè)量波形出現(xiàn)過(guò)沖和振鈴（圖 -9）。通常，利用電線擴(kuò)大探頭的探測(cè)范圍時(shí)，每英寸電線會(huì)產(chǎn)生高達(dá) 25-nH 的電感施加到探頭等效電路中。

那么如何測(cè)試那些在電路板上但是探頭無(wú)法探測(cè)到的信號(hào)呢？

大多數(shù)高性能探頭都提供了可進(jìn)行物理連接但電氣特性不適合傳輸高保真信號(hào)的附件。

是德科技深知，探頭及其附件是一套相輔相成、缺一不可的測(cè)量系統(tǒng)。因此， 1156A/57A/58A 探頭提供了多種附件，幫助您實(shí)現(xiàn)這些難以進(jìn)行的連接，并經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)仉姎庑阅芸刂疲瑥亩鴥?yōu)化測(cè)量性能。為了便于您在選擇適用于物理連接的測(cè)量帶寬時(shí)做出明智選擇，是德科技已經(jīng)描述了 1156A/57A/58A 附件的特性，并且提供了適用的探頭信息。

圖 9. 在 66 MHz/500-ps 時(shí)鐘上進(jìn)行測(cè)量。（上圖）普通 5-cm 線與被測(cè)信號(hào)相連造成測(cè)量波形出現(xiàn)過(guò)沖和振鈴。（下圖） 恰當(dāng)阻尼的 5-cm 電阻信號(hào)線可幫助探頭進(jìn)入狹小空間進(jìn)行探測(cè)，不會(huì)給測(cè)量波形帶來(lái)失真。

探頭附件

例如： 1156A/57A/58A 探頭提供了 5-cm 和 10-cm 電阻信號(hào)引線，用于幫助探頭在狹小空間進(jìn)行探測(cè)（圖 -10）。這些信號(hào)引線包含電阻探針，可以使探頭寄生效應(yīng)和被測(cè)電路隔開，并抑制諧振電路的形成。

這樣可使得探測(cè)系統(tǒng)的整個(gè)帶寬范圍內(nèi)保持平坦的傳輸響應(yīng)（圖 -11）。最終，您可以在難以達(dá)到的測(cè)量點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并且不會(huì)將額外的過(guò)沖、振鈴以及其他失真引入測(cè)量波形！

請(qǐng)牢記，必須使用盡量短的接地引線。當(dāng)接地引線與探頭連接時(shí)，在探頭返回路徑中會(huì)產(chǎn)生電感，這在探頭中是不能補(bǔ)償?shù)?。額外的電感會(huì)改變探頭的傳輸響應(yīng)并導(dǎo)致測(cè)量波形失真。

圖 10. 用 1156A/57A/58A 探頭進(jìn)行探測(cè)并對(duì)附件進(jìn)行恰當(dāng)阻尼以提高測(cè)量可靠性。

圖 11. 雖然用 1158A 探頭的 5-cm 電阻信號(hào)引線進(jìn)行探測(cè)會(huì)減少測(cè)量帶寬，但是傳輸響應(yīng)保持平坦并且不會(huì)引起測(cè)量波形失真。

帶寬和上升時(shí)間注意事項(xiàng)

在選擇示波器和探頭時(shí)，必須了解帶寬極限值，因?yàn)樗鼈冇锌赡苡绊憸y(cè)量精度。帶寬是指測(cè)量系統(tǒng)的傳輸響應(yīng)引起輸出電壓幅度從參考電平降低 -3-dB（70.7%）時(shí)的頻率（圖 -6）。那么您的示波器和探頭需要的帶寬是多少呢？

通過(guò)連續(xù)正弦波傳輸?shù)男盘?hào)由單一頻率分量組成，即基礎(chǔ)頻率。正弦波頻率越接近測(cè)量系統(tǒng)的帶寬極限值，測(cè)量幅度衰減的越多。在系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)測(cè)量正弦波的幅度有 30% 的錯(cuò)誤。因此在進(jìn)行精確幅度測(cè)量時(shí)，您應(yīng)該選擇基本帶寬是信號(hào)基礎(chǔ)頻率 3 倍的示波器和探頭。

與只包含單一頻率分量的正弦信號(hào)不同，數(shù)字信號(hào)在多個(gè)頻率上包含廣泛的頻譜分量， 以形成具有快速邊沿速度的方波。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，頻譜內(nèi)容主要由邊沿速度來(lái)確定，而不是取決于信號(hào)重復(fù)率。對(duì)數(shù)字信號(hào)邊沿頻率的保守估計(jì)為：

F = 0.5/（上升時(shí)間）

通常，估計(jì)的頻率稍高于實(shí)際頻率。

數(shù)字信號(hào)還具有非常大的 3 階和 5 階頻率諧波。這些高頻分量的衰減將導(dǎo)致上升時(shí)間和下降時(shí)間測(cè)量結(jié)果慢于實(shí)際時(shí)間。因此，為了提高上升時(shí)間和下降時(shí)間測(cè)量的精度，您應(yīng)該選擇帶寬是數(shù)字信號(hào)上升時(shí)間頻率三倍或五倍的示波器和探頭。

帶寬和上升時(shí)間注意事項(xiàng)

既然我們知道了準(zhǔn)確捕獲信號(hào)的帶寬要求，那么如何確定示波器和探頭的系統(tǒng)帶寬呢？

所有類型的探頭都有帶寬極限值，因此存在一個(gè)可以通過(guò)探頭的固有最短信號(hào)上升時(shí)間， 該時(shí)間可以通過(guò)下列公式來(lái)計(jì)算：

上升時(shí)間 = 0.35/ 帶寬

上升時(shí)間是指波形從最終值的 10% 轉(zhuǎn)變?yōu)?90% 時(shí)所需要的時(shí)間。探頭的最短上升時(shí)間和下降時(shí)間（在探頭特性中有詳細(xì)說(shuō)明）表示當(dāng)輸入信號(hào)為上升時(shí)間等于零的階躍信號(hào)時(shí)，探頭輸出信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間。通過(guò)觀察 1158A 探頭輸入和輸出信號(hào)可以看到這一點(diǎn)（圖 12）。

圖 12. 探頭的最短上升時(shí)間會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

and Rise Time

示波器還會(huì)有獨(dú)立的帶寬和上升時(shí)間極限值。通常認(rèn)為示波器和探頭的帶寬大小應(yīng)該相等。但是，示波器帶寬和探頭帶寬的關(guān)系并非如此簡(jiǎn)單。

示波器和探頭組成測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)的傳輸響應(yīng)將包含探頭傳輸響應(yīng)和示波器傳輸響應(yīng)。這些響應(yīng)組合將決定測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間和帶寬，通?？捎梢韵鹿接?jì)算得出：

這些公式適用于計(jì)算示波器和探頭響應(yīng)按照高斯定律衰減時(shí)的系統(tǒng)帶寬和上升時(shí)間（圖 -13）。

如果該響應(yīng)不符合高斯定律，您必須更深入地查看探頭響應(yīng)，從而獲悉信號(hào)如何從探針傳輸?shù)绞静ㄆ鬏斎攵?。只要探頭響應(yīng)平坦，即 Vout/Vin = 0-dB，傳輸?shù)绞静ㄆ鬏斎攵说男盘?hào)就與探針輸入信號(hào)完全相同。

圖 13. 高斯傳輸響應(yīng)與 1158A 探頭迅速衰減響應(yīng)的對(duì)比。

帶寬和上升時(shí)間注意事項(xiàng)

是德科技秉承實(shí)現(xiàn)最大響應(yīng)平坦度的理念開發(fā)了 1156A/57A/58A 探頭。圖 -14 顯示了這些探頭的傳輸響應(yīng)。

圖 14. 1156A（1.5-GHz）、1157A（2.5-GHz）和 1158A（4-GHz）探頭的傳輸響應(yīng)。

有關(guān)其他更高帶寬型號(hào)的信息，請(qǐng)登錄 Home，查找推薦的有源探頭。

表 1. 推薦的配置可以最大限度提高測(cè)量系統(tǒng)的帶寬。

表 -1 提供了推薦用于 In?niium 示波器，實(shí)現(xiàn)最大測(cè)量系統(tǒng)帶寬的探頭的相關(guān)信息。您將注意到由于探頭的傳輸響應(yīng)在 In?niium 示波器的整個(gè)帶寬范圍內(nèi)保持平坦?fàn)顟B(tài)，所以它不會(huì)降低系統(tǒng)帶寬。

結(jié)論

隨著電子設(shè)備的頻率不斷提高，選擇適合的示波器探頭成為決定測(cè)量結(jié)果和被測(cè)電路工作的關(guān)鍵因素。

在選擇新探頭時(shí)需要考慮以下因素：

檢查探頭輸入阻抗并考慮其對(duì)電路的影響。在高頻下負(fù)載具有越來(lái)越重要的影響，請(qǐng)務(wù)必使用盡量短的接地引線。探頭在整個(gè)帶寬內(nèi)應(yīng)具有平坦的傳輸響應(yīng)，否則會(huì)引起測(cè)量結(jié)果失真。平坦的傳輸響應(yīng)可以保證探頭輸出信號(hào)與探針輸入信號(hào)完全相符，并將其完整地傳輸?shù)?a href="http://cdburnerxp.cn/sbq.html" target="">示波器。最佳測(cè)量結(jié)果取決于探頭和連接，所以明智地選擇和恰當(dāng)?shù)厥褂锰筋^阻尼附件可以改善測(cè)量結(jié)果的精度及可重復(fù)性。示波器和探頭共同工作形成完整的測(cè)量系統(tǒng)。充分了解探頭對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶寬的影響， 可以幫助您更胸有成竹地選擇最適合自身應(yīng)用的示波器和探頭。

最佳的探頭可以保證對(duì)被測(cè)電路的影響最小，并且從輸入端到輸出端傳輸?shù)碾妷菏д孀钚　?1156A/57A/58A 探頭提供領(lǐng)先的性能，能夠?qū)Ω咚匐娐愤M(jìn)行最精確的分析。示波器 | 最佳的探頭可以保證對(duì)被測(cè)電路的影響最小，并且從輸入端到輸出端傳輸?shù)碾妷菏д孀钚　?1156A/57A/58A 探頭提供領(lǐng)先的性能，能夠?qū)Ω咚匐娐愤M(jìn)行最精確的分析。