想要捕獲高速信號該怎樣選擇示波器探頭呢？

在高速傳輸數(shù)據(jù)時，示波器探頭與被測電路的接觸會產(chǎn)生寄生效應，導致被測波形嚴重異常。此外，探頭還可能增加電路負載，導致信號發(fā)生顯著變化或損壞。因此，充分了解示波器探頭對被測電路和被測波形的影響將顯著改善測量結果。

示波器探頭輸入阻抗

示波器設計師在提高取樣率、帶寬和精度方面取得了巨大進展。為了使示波器在特定應用程序中達到最佳性能，必須仔細選擇和操作探頭。但事實上，附件的重要性往往被忽視。探頭是被測電路與示波器之間的主要連接工具。它不僅會影響測量結果，還會影響被測電路的工作。

當探頭與被測電路連接時，相當于在電路上增加一個負載。探頭負載會消耗額外的信號源電流，改變測試點后電路的工作狀態(tài)，從而改變測量信號。

若要獲得精確的測量結果，探頭必須捕獲信號并提供最真實的信號顯示，在其頻率范圍內(nèi)不能增添額外的負載，或使信號源發(fā)生變化。實際上，所有的探頭都會給被測電路添加一個復雜的負載(見圖 1)。因此，選擇探頭時要將該負載值限制在可以接受的范圍之內(nèi)。

探頭技術指標列出了輸入阻抗和電容。這兩者結合，可以改變被測電路并給其添加負載。電容器在低頻工作時，相當于一個開路電路，此時直流電阻成為形成電路負載的主要因素。電阻負載是探頭負載中影響最小的因素，因為它不會產(chǎn)生非線性的電路特性。

雖然低阻抗探頭泄漏的電流過多會引起非線性響應或中斷電路工作，但目前使用的低壓、高速信號探頭已基本上解決了這個問題。

圖 1. 示波器探頭的簡易輸入阻抗模型(包含電阻、電容和電感分量)。

示波器探頭輸入阻抗

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

當信號頻率提高或邊沿速度降低時，探頭電容的特性就相當于一個短路電路，使電流流入低阻抗探頭。在信號的高頻階段，電容電抗是產(chǎn)生電路負載的主要因素，可能會引起電路故障，因為此時電路不能驅動足夠的電壓裕量。

電容負載是導致探頭相關測量誤差的主要根源，因為它會影響上升和下降時間、帶寬以及邊沿到邊沿時間的測量結果。電容負載可以通過引發(fā)指數(shù)響應(圖 3)來改變測量波形的形狀，從而消除毛刺、減少振鈴和過沖，或減緩測量邊沿速度，使其恰好可以用來完成建立保持時間的違規(guī)設置。

圖 2. 電阻負載降低測量信號的幅度但未改變其形狀。

圖 3. 電容負載通過引發(fā)指數(shù)響應改變測量信號波形。

探頭傳輸響應

影響探頭輸入阻抗并使探頭傳輸響應發(fā)生變化的寄生參數(shù)，通常被稱為探頭的傳輸響應。這種傳輸響應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)/ 頻率圖形來顯示。

在傳輸響應低于 -3dB 或幅度降至 70.7% 時，探頭帶寬為連續(xù)頻段(圖 4)。在探頭帶寬之外的頻率上，信號幅度將過度衰減，并且使測量結果難以預測。

圖 4. 帶寬是指當儀器的傳輸響應降低 3 dB 時的連續(xù)頻段。

在探頭帶寬范圍內(nèi)，您可以看到探頭輸出信號與探針輸入信號非常相符，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。

在頻域中，探頭在盡量減少對信號的影響的條件下從輸入端到輸出端傳輸信號的能力， 表現(xiàn)為在整個探頭帶寬內(nèi)傳輸響應都非常平坦(0-dB)。但是在實際條件下這很難實現(xiàn)。當探頭與被測電路連接后，物理連接的寄生效應和探頭內(nèi)部元件能夠形成諧振電路，其諧振頻率低于探頭帶寬(圖 5)。該帶內(nèi)諧振將引起探頭輸出信號與輸入信號產(chǎn)生差異， 并以過沖和振鈴形式在測量波形上顯示。

下圖中的示例描述了4-GHz 探頭的輸入電壓(V 輸入)上的帶內(nèi)阻抗。請注意，此時探頭的輸出電壓(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(V 輸出 /V 輸入)達到 5-dB 的峰值。

圖5 (上圖)25-Ω 系統(tǒng)中 4 GHz 探頭的輸入電壓和輸出電壓的頻率響應。

(下圖) 探頭的傳輸響應。輸入電壓諧振低至 3.5-GHz 時，輸出電壓保持平坦，傳輸響應達到 5-dB 的峰值。

那么當輸入電壓諧振時輸出電壓保持平坦存在什么問題呢?難道這不是與未連接探頭時的信號情況相同嗎?這個問題問的好，但是請記住探頭傳輸響應將一直處于 5-dB 的峰值，會導致輸入信號失真，并且在測量波形中顯示額外的過沖和振鈴。

圖 -8 的測量是在兩端端接 50-Ω 負載的傳輸線的中點進行的，信號源電阻顯示為25-Ω，并且探頭響應與該類電路匹配。如果正在測量的電路不能提供理想的 25-Ω 信號源電阻，您將會看到探頭引起的信號失真。

可以通過實例對此類失真進行更好的解釋說明。假如使用 100-kΩ 探頭來測量具有100-kΩ 信號源電阻的電路的電壓，并且該探頭的傳輸響應已針對這種類型的電路進行了修改，可以顯示出探頭“實際”輸出電壓。因此，當您將探頭連接到電路上，并將輸入電壓降低一半時，測量波形就像未連接探頭時一樣顯示全電壓幅度。

但是，當探頭與具有 50-kΩ 信號源電阻的電路連接會發(fā)生什么情況呢?探頭的傳輸響應仍然會改變測量波形，顯示的波形電壓比探頭輸入端的實際電壓高 33%。

最佳的探頭可以保證對被測電路的影響最小，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。

帶寬和上升時間注意事項

在選擇示波器和探頭時，必須了解帶寬極限值，因為它們有可能影響測量精度。帶寬是指測量系統(tǒng)的傳輸響應引起輸出電壓幅度從參考電平降低 -3-dB(70.7%)時的頻率(圖 4)。那么您的示波器和探頭需要的帶寬是多少呢?

通過連續(xù)正弦波傳輸?shù)男盘栍蓡我活l率分量組成，即基礎頻率。正弦波頻率越接近測量系統(tǒng)的帶寬極限值，測量幅度衰減的越多。在系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)，預計測量正弦波的幅度有 30% 的錯誤。因此在進行精確幅度測量時，您應該選擇基本帶寬是信號基礎頻率 3 倍的示波器和探頭。

與只包含單一頻率分量的正弦信號不同，數(shù)字信號在多個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。對于數(shù)字信號，頻譜內(nèi)容主要由邊沿速度來確定，而不是取決于信號重復率。對數(shù)字信號邊沿頻率的保守估計為：

F = 0.5/(上升時間)

通常，估計的頻率稍高于實際頻率。

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

帶寬和上升時間注意事項

既然我們知道了準確捕獲信號的帶寬要求，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，因此存在一個可以通過探頭的固有最短信號上升時間， 該時間可以通過下列公式來計算：

上升時間 = 0.35/ 帶寬

上升時間是指波形從最終值的 10% 轉變?yōu)?90% 時所需要的時間。探頭的最短上升時間和下降時間(在探頭特性中有詳細說明)表示當輸入信號為上升時間等于零的階躍信號時，探頭輸出信號的上升時間和下降時間。通過觀察 Keysight 1158A 探頭輸入和輸出信號可以看到這一點(圖 6)。

圖 6. 探頭的最短上升時間會影響測量結果。

示波器還會有獨立的帶寬和上升時間極限值。通常認為示波器和探頭的帶寬大小應該相等。但是，示波器帶寬和探頭帶寬的關系并非如此簡單。

示波器和探頭組成測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)的傳輸響應將包含探頭傳輸響應和示波器傳輸響應。這些響應組合將決定測量系統(tǒng)的上升時間和帶寬，通常可由以下公式計算得出：

這些公式適用于計算示波器和探頭響應按照高斯定律衰減時的系統(tǒng)帶寬和上升時間(圖7)。

如果該響應不符合高斯定律，您必須更深入地查看探頭響應，從而獲悉信號如何從探針傳輸?shù)绞静ㄆ鬏斎攵恕Ｖ灰筋^響應平坦，即 Vout/Vin = 0-dB，傳輸?shù)绞静ㄆ鬏斎攵说男盘柧团c探針輸入信號完全相同。

圖 7. 高斯傳輸響應與 Keysight 1158A 探頭迅速衰減響應的對比。

結論

隨著電子設備的頻率不斷提高，選擇適合的示波器探頭成為決定測量結果和被測電路工作的關鍵因素。

在選擇新探頭時需要考慮以下因素：

檢查探頭輸入阻抗并考慮其對電路的影響。在高頻下負載具有越來越重要的影響，請務必使用盡量短的接地引線。

探頭在整個帶寬內(nèi)應具有平坦的傳輸響應，否則會引起測量結果失真。平坦的傳輸響應可以保證探頭輸出信號與探針輸入信號完全相符，并將其完整地傳輸?shù)绞静ㄆ鳌?/p>

最佳測量結果取決于探頭和連接，所以明智地選擇和恰當?shù)厥褂锰筋^阻尼附件可以改善測量結果的精度及可重復性。

示波器和探頭共同工作形成完整的測量系統(tǒng)。充分了解探頭對整個系統(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用的示波器和探頭。

最佳的探頭可以保證對被測電路的影響最小，并且從輸入端到輸出端傳輸?shù)碾妷菏д孀钚　?/p>

以上就是關于如何選擇示波器探頭來捕獲高速信號，如您使用中還有其他問題，歡迎登錄西安普科電子科技。