正確使用示波器探頭最小化測量誤差

電子產品設計中，在使用最普遍的測量儀器示波器時，示波器與信號正確之間連接的重要性往往被低估。不用懷疑像USB3.0高達5GBit/s高數據速率的信號測試時，需要特殊的探頭和連接方法。但是，大多數設計工程師會遇到中頻的信號頻率。但是，當處理器的時鐘頻率在約30MHz時，為什么就要擔心信號完整性問題、連接探頭的方法、或特殊的有源探頭呢？ 

僅僅只是看時鐘速率，好的350M帶寬無源探頭就已足夠。在探頭連接信號時，在電路上加載，并影響信號。這是一種事實：在示波器上看到的信號從來都不會與電路上實際信號完全相同。因此，測試時，核心目的是盡量減少探頭在電路上的任何影響，盡可能真實地顯示原始信號。為了達到這個目標，必須考慮通過接地連接、感性和容性負載施加在電路上的所有影響。 

絕大多數信號失真是因為非最佳的接地連接。基本規則如下：盡量用最短的接地連接！但是，實際這種總體背景和常引用規則是什么呢？ 

探頭由一個輸入電容和電感的諧振電路組成。無源探頭輸入電容用指標為10pF～13pF，并且很難改變。電感主要由接地連接來決定，即接地連接越短，電感就越小。降低電感將提高頻率響應，將移到一個范圍，遠遠超過感興趣的頻率范圍。 

這里顯示的示例：在FPGA輸出端，使用一個真正的信號在。下圖顯示內容為：上部為整個信號、下部為斜坡極其放大的部分信號。該信號重復頻率是2.23KHz，瞧----一個不希望的對信號的影響出現了。由于信號是一個現代FPGA輸出，多虧了使用了高帶寬和存儲深度的示波器，可以測量斜坡，其上升時間為3.2 ns。見圖1 

圖1：一個典型快速上升時間信號

圖2顯示了信號的帶寬與它的上升時間和允許通過測量上升時間確定的帶寬。曲線表達了以下公式：帶寬=0.35/上升時間。這是信號頻率和上升時間轉換最有效的公式。

圖2: 信號帶寬與上升時間

在該例子中，明顯信號帶寬為120MHz。如果通過有源探頭測量該信號，并且改變接地連接，將會出現不同的結果。為了進行比較，下圖顯示了各種不同接地的測量結果。

圖3：各種不同接地的信號顯示

圖中最上面的波形為探頭沒有任何接地（即被測物和示波器僅通過底架相連）；從上往下第二個曲線為同樣信號使用20cm長的接地線后的波形；依次第三個曲線為同樣信號使用10cm長的接地線后的波形；最下面的一個；從上往下第二個曲線為同樣信號使用2cm長的接地線后的波形。很明顯，接地線越短，產生的振蕩就越小，就更能顯示更符合實際信號的波形。 

除了接地連接外，我們也應考慮探頭帶寬和電路上容性加載的影響。例如：如果測試電路中為低電流CMOS技術，無源探頭的電容性負載必須用特殊的措施來觀察。這樣一個13pF的電容將是一個相當大的負荷，該技術驅動能力采用相對較小的輸出，它會顯著增加信號的延遲與上升和下降的時間。在過去的幾年中，現代半導體技術實際上加強了這種趨勢。如果無源探頭的電容影響太大，購線網建議使用有源探頭。圖4顯示了3個曲線：白色參考曲線使用了一根0.9pF輸入電容的有源探頭，并且盡可能短的接地連接。在通道1上的黃色曲線，使用了相同的有源探頭，但是在測量點上使用了一根無源探頭，無源探頭測量的波形在通道2上顯示（藍色曲線）。 

圖4：不同探頭在信號上的影響

白色曲線最好地真實顯示了信號，具有最短的上升時間；白色和黃色曲線間的差異，很明顯地顯示了無源探頭對信號的影響：上升時間從1.84ns到2.64ns發生了改變，接近43%；這是相當大的，在一些電路，這可能會導致故障。現在看藍色曲線，這個影響相當明顯：不僅影響電路里的信號，而且示波器上的顯示不能真實反映實際波形。 

總之，探頭的影響可由下列規則確定：有源探頭在測試點上的測試結果最接近真實信號（較低信號惡化）。有源探頭hold得住更真實的和更快的信號，并且緊跟采用容性負載更敏感的半導體技術。 

在這篇文章中，無源探頭將帶來各種各樣的問題，這是許多用戶都不希望的結果。最短的接地一定產生一個良好的測量結果。像HZ355那樣的很多探頭，配套特別的接地彈簧（見圖5），盡可能進行短接地連接。技術進步也表明：今天，即使標準電路其運行的上升時間已到1ns～2 ns，如果使用無源探頭，對這些的信號將非常強烈，因此，需要使用‹1pF輸入電容、超過示波器帶寬的有源探頭。今天，購線網推薦HZO30有源探頭，其特性好：0.9pF和1MΩ輸入阻抗，使用標準的BNC連接器和外接供電電源，可用于市面上任何示波器，使用它進行測試可以產生很好的效果。 

圖5：示波器探頭接地彈簧測試

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