示波器測(cè)量高速信號(hào)，四步檢查法輕松搞定

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：

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：

其中Rin為輸入阻抗，Cin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，Rin越大，對(duì)信號(hào)影響越小。而1／（Cin×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Cin的容值。