一、示波器不可不知的問題

　　Q1: 在高速串行測試時(shí)，對測試所需示波器有什么樣的要求?哪幾個(gè)指標(biāo)是最關(guān)鍵的?

　　A: 基本來說對帶寬和采樣率要滿足串行信號(hào)的要求，接下來就需要考察是否是差分信號(hào)，以及示波器對串行測試的分析功能，比如說碼型的觸發(fā)和解碼等等。

　　Q2: 在測量高速數(shù)字信號(hào)時(shí)，示波器的帶寬是不是一定要是信號(hào)頻率的5倍以上?為什么?

　　A: 選擇示波器的帶寬，一般是被測信號(hào)的速率的2.5倍或信號(hào)最高頻率的5倍，這樣可以看到高速信號(hào)的5次諧波。

　　Q3: 測試時(shí)的帶寬是如何影響測試結(jié)果?對測試儀器的帶寬有何要求?

　　A: 首先，帶寬不足會(huì)損失掉信號(hào)的高頻諧波分量，導(dǎo)致時(shí)間和幅度測試的不準(zhǔn)確。然而即使帶寬相同的示波器會(huì)表現(xiàn)出不同的上升時(shí)間，對應(yīng)用來說，測量上升沿上發(fā)生的錯(cuò)誤非常關(guān)鍵，另外在數(shù)據(jù)信號(hào)中，對眼圖的張開度影響也很大。正因如此，上升時(shí)間指標(biāo)對在時(shí)域中執(zhí)行測量的設(shè)備(示波器)非常重要。

　　Q4: 帶寬是否越高越好?

　　A: 前面提到，目前廣泛使用的電路板、連接器、電纜和集成模塊的上升時(shí)間非常有限，以至于高速信號(hào)經(jīng)過傳輸之后高頻分量損耗嚴(yán)重。許多新的第三代標(biāo)準(zhǔn)(USB3.0, PCIE Gen3, 10G-KR)已經(jīng)考慮到這一點(diǎn)，要求的帶寬比以前低得多。當(dāng)然，也有一些例外情況，要求更高的帶寬。比如100G以太網(wǎng)方案，它采用復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)(DP-QPSK)，要求四個(gè)模擬輸入及超過20 GHz的帶寬進(jìn)行分析。鑒于這些應(yīng)用，泰克已經(jīng)宣布，其帶寬超過30GHz的示波器將于今年下半年晚些時(shí)候推出。

　　Q5: 怎樣才能提高測試儀器的靈敏度呢?

　　A: 選擇合適的帶寬，帶寬過大會(huì)增加噪聲，在垂直設(shè)置上，盡可能讓信號(hào)填滿屏幕，好充分利用示波器的AD位數(shù)，可以采用波形平均，合適的探頭的帶寬，選擇高分辨率 (Hi-res) 采集模式等等。

　　Q6: 在對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，確認(rèn)異常現(xiàn)象并在短時(shí)間內(nèi)弄清電路的運(yùn)行條件，如何增加捕捉異常現(xiàn)象的機(jī)會(huì)?

　　A: 使用DPX技術(shù)，并打開無限余輝，幾秒鐘就可以看到平時(shí)可能數(shù)小時(shí)看不到的異常信號(hào)。該性能提高了見證數(shù)字系統(tǒng)中出現(xiàn)的瞬態(tài)事件的幾率，這些瞬態(tài)事件包括短脈沖、毛刺和轉(zhuǎn)換誤差等。

二、如何操作無使用說明書的示波器

　　示波器的型號(hào)多種多樣，其中無使用說明書的示波器占很大比例，這對于初次使用示波器的初學(xué)者十分不便。本文根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就如何操作無使用說明書的示波器作簡單介紹，希望能給初學(xué)者帶來幫助。

　　一、常見示波器面板功能鍵、鈕的標(biāo)示及作用

　　1.Power(電源開關(guān))：接通或關(guān)斷整機(jī)輸入電源。

　　2.FOCUS(聚焦)和ASTIG(輔助聚焦)：常為套軸電位器，用于調(diào)整波形的清晰度。

　　3.ROTATION(掃描軌跡旋轉(zhuǎn)控制)：調(diào)整此旋鈕可以使光跡和座標(biāo)水平線平行。

　　4.ILLUM(坐標(biāo)刻度照明)：用于照亮內(nèi)刻度坐標(biāo)。

　　5.A/B INTEN(A/B亮度控制)：通常為套軸電位器，作用是調(diào)節(jié)A和B掃描光跡的亮度。

　　6.CAL 0.5Vp-p(校正信號(hào)輸出)：提供0.5Vp-p且從0電平開始的正向方波電壓，用于校正示波器。

　　7.VOLTS/div(電壓量程選擇)：通常電壓量程和幅度微調(diào)為套軸電位器，外調(diào)節(jié)旋鈕是電壓量程選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)此旋鈕以改變電壓量程;中間帶開關(guān)的電位器為電壓量程微調(diào)，順時(shí)針旋到底為校正位置，逆時(shí)針調(diào)節(jié)，波形幅度，變化范圍在電壓/格兩檔之間。

　　8.CH1和CH2(輸入信號(hào)插座)：為示波器提供輸入信號(hào)。

　　9.AC GND DC(輸入耦合開關(guān))：用于選擇輸入信號(hào)的耦合方式。

　　10.GRIG SEL(內(nèi)同步選擇)：按下此鍵，以CH1和CH2分別作為內(nèi)同步信號(hào)源。

　　11.CH POL(信號(hào)倒相)：按下此鍵，輸入信號(hào)倒相180°。

　　12.VERTICAL MODE(垂直工作方式選擇)：分別按下CH1、CH2、ALT、COHP、ADD、X-Y鍵，屏幕顯示依次為CH1、CH2、CH1和CH2交替、CH1和CH2斷續(xù)、CH1和CH2代數(shù)和、CH1垂直/CH2水平等方式。

　　13.POSITION(位移調(diào)節(jié))：調(diào)節(jié)CH1和CH2輸入信號(hào)0電平在屏幕的起始位置。

　　14.UNCAL(不校正指示)：當(dāng)CH1和CH2電壓量程微調(diào)不在校正位置時(shí)，對應(yīng)的不校正指示燈點(diǎn)亮。

　　15.TIME(掃描時(shí)間調(diào)整)：外旋鈕調(diào)節(jié)A掃描速度，內(nèi)旋鈕調(diào)節(jié)B掃描速度。

　　16.B.VAR、TRACE SEP(B掃描微調(diào)和A/B掃描軌跡分離)：一般情況下，涂有紅色的旋鈕為B掃描微調(diào)，提供連續(xù)可變的非校正B掃描速度。

　　17.DELAY TIME(掃描延遲時(shí)間調(diào)節(jié))：選擇A和B掃描啟動(dòng)之間的延遲時(shí)間。

　　18.POSITION(水平位移控制)：使顯示波形作水平位移。

　　19.SWEEP MODE(觸發(fā)同步方式)：其中AUTO為自動(dòng)觸發(fā)、NORM為常態(tài)觸發(fā)、HF為高頻觸發(fā)、SINGLE為單掃描觸發(fā)。

　　20.LEVEL HOLD OFF(電平和釋抑調(diào)節(jié))：是電平調(diào)節(jié)觸發(fā)同步后，使信號(hào)同步穩(wěn)定的輔助調(diào)節(jié)器。

　　21.TRIGD(觸發(fā)同步狀態(tài)指示)：一旦掃描電路被觸發(fā)同步后 ，指示燈點(diǎn)亮。

　　22.SLOPE(斜率開關(guān))：選擇觸發(fā)信號(hào)的斜率，開關(guān)置"+"時(shí)，掃描以觸發(fā)信號(hào)的正斜率觸發(fā);開關(guān)置"-"時(shí)，掃描以觸發(fā)信號(hào)的負(fù)向斜率觸發(fā)。

　　23.COUPLING(觸發(fā)耦合開關(guān))：決定掃描觸發(fā)源的耦合方式。AC為交流耦合、DC為直流耦合、TV為電視場/行同步耦合、HFREJ為同步耦合。

　　24.SOURCE(觸發(fā)源選擇開關(guān))：INT為CH1或CH2輸入信號(hào)觸發(fā)、LINE為市電內(nèi)電源觸發(fā)、EXT為外輸入信號(hào)觸發(fā)。

　　二、一般使用方法

　　1.獲得基線：

　　使用無使用說明書的示波器時(shí)，首先應(yīng)調(diào)出一條很細(xì)的清晰水平基線，然后用探頭進(jìn)行測量，步驟如下。

　　(1)預(yù)置面板各開關(guān)、旋鈕。 亮度置適中位置，聚焦和輔助聚焦置適中位置，垂直輸入耦合置"AC"，垂直電壓量程選擇置適當(dāng)檔位(如"5mV/div")，垂直工作方式選擇置"CH1"，垂直靈敏度微調(diào)校正置"CAL"，垂直通道同步源選擇置中間位置，垂直位置置中間，A和B掃描時(shí)間均置適當(dāng)檔位(如"0.5ms/div")，A掃描時(shí)間微調(diào)置校準(zhǔn)位置"CAL"，水平位移置中間，掃描工作方式置"A"，觸發(fā)同步方式置"AUTO"，斜率開關(guān)置"+"，觸發(fā)耦合開關(guān)置"AC"，觸發(fā)源選擇置"INT"。

　　(2)按下電源開關(guān)，電源指示燈亮。

　　(3)調(diào)節(jié)A亮度聚焦等有關(guān)控制旋鈕，可出現(xiàn)纖細(xì)明亮的掃描基線，調(diào)節(jié)基線使其位置于屏幕中間與水平坐標(biāo)刻度基本重合。

　　(4)調(diào)節(jié)軌跡旋轉(zhuǎn)控制使基線與水平坐標(biāo)平行。

　　2.顯示信號(hào);

　　一般示波器均有0.5Vp-p標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)輸出口，調(diào)妥基線后，即可將探頭接入此插口，此時(shí)屏幕應(yīng)顯示一串方波信號(hào)，調(diào)節(jié)電壓量程和掃描時(shí)間旋鈕，方波的幅度和寬度應(yīng)有變化，至此說明該示波器基本調(diào)整完畢，可以投入使用。

　　3.測量信號(hào)：

　　將測試線接入CH1或CH2輸入插座，測試探頭觸及測試點(diǎn)，即可在示波器上觀察波形。如果波形幅度太大或太小，可調(diào)整電壓量程旋鈕;如果波形周期顯示不合適，可調(diào)整掃描速度旋鈕。

三、選擇合適示波器帶寬方法

　　帶寬是大多數(shù)工程師在選擇一款示波器時(shí)首先考慮的參數(shù)。本文將為您提供一些有用的竅門，教您如何為您的數(shù)字和模擬應(yīng)用選擇合適的示波器帶寬。

　　數(shù)字應(yīng)用需要的示波器帶寬

　　經(jīng)驗(yàn)告訴我們，示波器的帶寬至少應(yīng)比被測系統(tǒng)最快的數(shù)字時(shí)鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，那么該示波器就能以最小的信號(hào)衰減捕捉到被測信號(hào)的5次諧波。信號(hào)的5次諧波在確定數(shù)字信號(hào)的整體形狀方面非常重要。但如果需要對高速邊沿進(jìn)行精確測量，那么這個(gè)簡單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實(shí)際高頻成分。

　　公式：fBW ≥ 5 x fclk

　　確定示波器帶寬的一個(gè)更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號(hào)中存在的最高頻率，而不是最大時(shí)鐘速率。數(shù)字信號(hào)的最高頻率要看設(shè)計(jì)中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設(shè)計(jì)中最快的信號(hào)的上升和下降時(shí)間。這一信息通常可從設(shè)計(jì)中所用器件的公開說明書中獲取。

　　第一步：確定最快的邊沿速度

　　然后就可以利用一個(gè)簡單的公式計(jì)算信號(hào)的最大“實(shí)際”頻率成分。Howard W. Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數(shù)字設(shè)計(jì)》。在書中，他將這一頻率成分稱為“拐點(diǎn) ”頻率(fknee)。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個(gè)拐點(diǎn)(或稱“knee”)，高于該頻率的頻率成分對于確定信號(hào)的形狀就無關(guān)緊要了。

　　第二步：計(jì)算fknee

　　fknee = 0.5/RT (10% - 90%)

　　fknee = 0.4/RT (20% - 80%)

　　對于上升時(shí)間特性按照10% 到90%閥值定義的信號(hào)而言，拐點(diǎn)頻率fknee等于0.5除以信號(hào)的上升時(shí)間。對上升時(shí)間特性按照20% 到80%閥值定義的信號(hào)而言(如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式)，fknee等于0.4除以信號(hào)的上升時(shí)間。但注意不要把此處的信號(hào)上升時(shí)間與示波器的上升時(shí)間規(guī)格混淆了，我們這里所說的是實(shí)際的信號(hào)邊沿速度。

　　第三步就是根據(jù)測量上升時(shí)間和下降時(shí)間所需的精確程度來確定測量該信號(hào)所需的示波器帶寬。表1給出了對于具備高斯頻響或最大平坦頻響的示波器而言，在各種精度要求下需要的示波器帶寬與fknee的關(guān)系。但要記住的是，大多數(shù)帶寬規(guī)格在1 GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過1 GHz的通常則為最大平坦頻響型的。

　　表1：根據(jù)需要的精度和示波器頻率響應(yīng)的類型計(jì)算示波器所需帶寬的系數(shù)

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　　第三步：計(jì)算示波器帶寬

　　下面我們通過一個(gè)簡單的例子進(jìn)行講解：

　　對于在測量500ps上升時(shí)間(10-90%)時(shí)具有正確的高斯頻率響應(yīng)的示波器，確定其所需的最小帶寬

　　如果信號(hào)的上升/下降時(shí)間約為500ps(按10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)定義)，那么該信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分((fknee)就約為1 GHz。

　　fknee = (0.5/500ps) = 1 GHz

　　如果在進(jìn)行上升時(shí)間和下降時(shí)間參數(shù)測量時(shí)允許20%的定時(shí)誤差，那么帶寬為1 GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測量應(yīng)用的要求。但如果要求定時(shí)精度在3%范圍內(nèi)，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。

　　20%定時(shí)精度：

　　示波器帶寬=1.0x1GHz=1.0GHz

　　3%定時(shí)精度：

　　示波器帶寬=1.9x1GHz=1.9GHz

　　下面我們將用幾個(gè)帶寬不同的示波器對與該例中的信號(hào)具備類似特性的一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行測量。

　　不同帶寬示波器對同一數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)的測量比較

　　圖3給出了利用Agilent 公司帶寬為100MHz的示波器 MSO6014A測量一個(gè)邊沿速度為500ps(從10%到90%)的100MHz數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)得到的波形結(jié)果。

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　　圖3

　　從圖中可以看出，該示波器主要只通過了該時(shí)鐘信號(hào)的100MHz基本頻率成分，因此，時(shí)鐘信號(hào)顯示出來大約是正弦波的形狀。帶寬為100MHz的示波器對許多時(shí)鐘速率在10MHz 到 20MHz 范圍的基于MCU的8bit設(shè)計(jì)而言可能非常合適，但對于這里測量的100MHz的時(shí)鐘信號(hào)就明顯不夠了。 圖4給出了利用Agilent公司500MHz帶寬的示波器MSO6054A測量同一信號(hào)的結(jié)果。

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　　圖4

　　從圖中可以看出，該示波器最高能捕捉到信號(hào)的5次諧波，這恰好滿足了我們在前面給出的第一個(gè)經(jīng)驗(yàn)建議。但在我們測量上升時(shí)間時(shí)發(fā)現(xiàn)，用這臺(tái)示波器測量得到的上升時(shí)間約為750ps。在這種情況下，示波器對信號(hào)上升時(shí)間的測量就不是非常準(zhǔn)確，它得到的測量結(jié)果實(shí)際上很接近它自己的上升時(shí)間(700ps)，而不是輸入信號(hào)的上升時(shí)間(接近500ps)。這說明，如果時(shí)序測量比較重要，那么我們就需要用更高帶寬的示波器才能滿足這一數(shù)字測量應(yīng)用的要求。

　　換用Agilent1-GHz帶寬的示波器MSO6104A之后，我們得到的信號(hào)圖像(見圖5)就更準(zhǔn)確了。

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　　圖5

　　在示波器中選擇上升時(shí)間測量后，我們得到的測量結(jié)果約為550ps。這一測量結(jié)果的精度約為10%，已經(jīng)非常讓人滿意，尤其在需要考慮示波器資金投入的情況下。但有時(shí)，即便是1GHz帶寬示波器得到的這種測量結(jié)果也可能被認(rèn)為精度不夠。如果我們要求對這個(gè)邊沿速度在500ps的信號(hào)達(dá)到3%的邊沿速度測量精度，那么我們就需要2 GHz或更高帶寬的示波器，這一點(diǎn)我們在前面的例子中已經(jīng)提到。

　　換用2GHz帶寬的示波器之后，我們現(xiàn)在看到的(見圖6)就是比較精確的時(shí)鐘信號(hào)，上升時(shí)間測量結(jié)果約為495ps。

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　　圖6

　　安捷倫Infiniium系列高帶寬示波器有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是帶寬可以升級。如果2 GHz帶寬對今天的應(yīng)用已經(jīng)足夠，那么您開始可以只購買入門級的2-GHz示波器，以后當(dāng)您需要更高的帶寬時(shí)，再將其逐步升級到13 GHz。

　　模擬應(yīng)用需要的示波器帶寬

　　多年之前，大多數(shù)示波器廠商就建議用戶在選擇示波器時(shí)，帶寬至少應(yīng)比最大信號(hào)頻率高3倍。盡管這一“3X”準(zhǔn)則并不適用于以時(shí)鐘速率為基礎(chǔ)的數(shù)字應(yīng)用，但它卻仍然適用于已調(diào)RF信號(hào)測量等模擬應(yīng)用。為了便于讀者理解這一三倍乘子的來歷，我們來看一個(gè)1GHz帶寬示波器的真正頻率響應(yīng)。

　　圖7所示為對Agilent1-GHz帶寬示波器MSO6104A的掃頻響應(yīng)測試(掃頻范圍20 MHz到 2 GHz)。

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　　圖7

　　從圖中可以看出，恰好在1 GHz處，輸入信號(hào)衰減約為1.7 dB，這還遠(yuǎn)未超出定義示波器帶寬的-3 dB限。然而，要想精確測量模擬信號(hào)，我們只能利用示波器帶寬中衰減最小的相對平坦的那部分頻帶。對該示波器而言，在其1 GHz帶寬的大約三分之一處，輸入信號(hào)基本沒有衰減(衰減為0dB)。但并非所有示波器都具備這樣的頻響。

　　圖8所示的是對另一廠商的1.5-GHz帶寬示波器進(jìn)行掃頻響應(yīng)測試的結(jié)果。

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　　圖8

　　這正是一個(gè)遠(yuǎn)非平坦頻響的例子。該示波器的頻響既不是高斯頻響也不是最大平坦頻響，反而更像“最大起伏”頻響，而且尖峰現(xiàn)象很嚴(yán)重，這會(huì)導(dǎo)致波形嚴(yán)重失真，不論測量的是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)。不幸的是，示波器的帶寬規(guī)范(即輸入信號(hào)衰減為3dB的頻率)中對在其他頻率上的信號(hào)衰減或放大沒有任何規(guī)定。在這臺(tái)示波器上，即便是在示波器帶寬的五分之一處，信號(hào)也有大約1dB(10%)的衰減。因此，在這種情況下再根據(jù)3X準(zhǔn)則選擇示波器就很不明智了。所以，在挑選示波器時(shí)，最好是選擇著名廠商的產(chǎn)品，而且要密切注意示波器頻響的相對平坦度。 本文小結(jié)

　　總的來說，對數(shù)字應(yīng)用而言，示波器帶寬至少應(yīng)比被測設(shè)計(jì)的最快時(shí)鐘速率快5倍。但在需要精確測量信號(hào)的邊沿速度時(shí)，則要根據(jù)信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分來決定示波器帶寬。對模擬應(yīng)用而言，示波器帶寬至少應(yīng)比被測設(shè)計(jì)中的模擬信號(hào)最高頻率高3倍，但這一經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則只適用于那些在低頻段上頻響相對平坦的示波器。

四、如何確定示波器帶寬?

　　帶寬被稱為示波器的第一指標(biāo)，也是示波器最值錢的指標(biāo)。示波器市場的劃分常以帶寬作為首要依據(jù)，工程師在選擇示波器的時(shí)候，首先要確定的也是帶寬。在銷售過程中，關(guān)于帶寬的故事也特別多。

　　通常談到的帶寬沒有特別說明是指示波器模擬前端放大器的帶寬，也就是常說的-3dB截止頻率點(diǎn)。 此外，還有數(shù)字帶寬，觸發(fā)帶寬的概念。

　　我們常說數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲(Capture)，觀察(View)，測量(Measurement)，分析(Analyse)和歸檔(Document)。 這五大功能組成的原理框圖如圖1所示。

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　　圖1，數(shù)字示波器的原理框圖

　　捕獲部分主要是由三顆芯片和一個(gè)電路組成，即放大器芯片，A/D芯片，存儲(chǔ)器芯片和觸發(fā)器電路，原理框圖如下圖2所示。被測信號(hào)首先經(jīng)過探頭和放大器及歸一化后轉(zhuǎn)換成ADC可以接收的電壓范圍，采樣和保持電路按固定采樣率將信號(hào)分割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的采樣電平，ADC將這些電平轉(zhuǎn)化成數(shù)字的采樣點(diǎn)，這些數(shù)字采樣點(diǎn)保存在采集存儲(chǔ)器里送顯示和測量分析處理。

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　　圖2，示波器捕獲電路原理框圖

　　示波器放大器的典型電路如圖3所示。這個(gè)電路在模擬電路教科書中處處可見。這種放大器可以等效為RC低通濾波器如圖4所示。 由此等效電路推導(dǎo)出輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系，得出理想的幅頻特性的波特圖如圖5所示。

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　　圖3，放大器的典型電路

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　　圖4，放大器的等效電路模型

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　　圖5，放大器的理想波特圖

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　　至此，我們知道帶寬f2即輸出電壓降低到輸入電壓70.7%時(shí)的頻率點(diǎn)。 根據(jù)放大器的等效模型，我們可進(jìn)一步推導(dǎo)示波器的上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系式，即我們常提到的0.35的關(guān)系：上升時(shí)間=0.35/帶寬，推導(dǎo)過程如下圖6所示。 需要說明的是，0.35是基于高斯響應(yīng)的理論值，實(shí)際測量系統(tǒng)中這個(gè)數(shù)值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會(huì)標(biāo)明“上升時(shí)間”指標(biāo)。 示波器測量出來的上升時(shí)間與真實(shí)的上升時(shí)間之間存在下面的關(guān)系式。 在對快沿信號(hào)測試中，需要通過該關(guān)系式來修正實(shí)際被測信號(hào)的上升時(shí)間。

　　Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2

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　　圖6，示波器上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系

　　示波器前端放大器幅頻特性的波特圖是新示波器發(fā)布的“出生證”。 示波器每年需要進(jìn)行校準(zhǔn)，波特圖是第一需要校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。示波器波特圖的測量方法如圖7所示。 信號(hào)源從10MHz頻率開始逐漸遞增發(fā)送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器將輸入的信號(hào)能量等分為二后通過等長的線纜分別送到示波器和功率計(jì)。 功分器和線纜是無源器件，可以嚴(yán)格定標(biāo)，信號(hào)源本身的幅頻特性不可以作為定標(biāo)儀器，需要通過功率計(jì)實(shí)測的能量來作為示波器的輸入幅值的定標(biāo)值。 有時(shí)候客戶會(huì)對示波器的波特圖很感興趣，直接用信號(hào)源連接到示波器來評估示波器的波特圖，在帶寬超過1GHz時(shí)這種方法是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｐ枰霉β视?jì)來作為定標(biāo)工具!

五、示波器探頭原理及種類詳解

　　任何使用過示波器的人都會(huì)接觸過探頭，通常我們說的示波器是用來測電壓信號(hào)的（也有測光或電流的，都是先通過相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)成電壓量測量），探頭的主要作用是把被測的電壓信號(hào)從測量點(diǎn)引到示波器進(jìn)行測量。

　　大部分人會(huì)比較關(guān)注示波器本身的使用，卻忽略了探頭的選擇。實(shí)際上探頭是介于被測信號(hào)和示波器之間的中間環(huán)節(jié)，如果信號(hào)在探頭處就已經(jīng)失真了，那么示波器做的再好也沒有用。實(shí)際上探頭的設(shè)計(jì)要比示波器難得多，因?yàn)槭静ㄆ鲀?nèi)部可以做很好的屏蔽，也不需要頻繁拆卸，而探頭除了要滿足探測的方便性的要求以外，還要保證至少和示波器一樣的帶寬，難度要大得多。因此最早高帶寬的實(shí)時(shí)示波器剛出現(xiàn)時(shí)是沒有相應(yīng)的探頭的，又過了一段時(shí)間探頭才出來。

　　要選擇合適的探頭，首要的一點(diǎn)是要了解探頭對測試的影響，這其中包括2部分的含義：1/探頭對被測電路的影響；2/探頭造成的信號(hào)失真。理想的探頭應(yīng)該是對被測電路沒有任何影響，同時(shí)對信號(hào)沒有任何失真的。遺憾的是，沒有真正的探頭能同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，通常都需要在這兩個(gè)參數(shù)間做一些折衷。

　　為了考量探頭對測量的影響，我們通常可以把探頭模型簡單等效為一個(gè)R、L、C的模型，把這個(gè)模型和我們的被測電路放在一起分析。

　　首先，探頭本身有輸入電阻。和萬用表測電壓的原理一樣，為了盡可能減少對被測電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。但由于Rprobe不可能做到無窮大，所以就會(huì)和被測電路產(chǎn)生分壓，實(shí)際測到的電壓可能不是探頭點(diǎn)上之前的真實(shí)電壓，這在一些電源或放大器電路的測試中會(huì)經(jīng)常遇到。為了避免探頭電阻負(fù)載造成的影響，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探頭的輸入阻抗在幾十k歐姆到幾十兆歐姆間。

　　其次，探頭本身有輸入電容。這個(gè)電容不是刻意做進(jìn)去的，而是探頭的寄生電容。這個(gè)寄生電容也是影響探頭帶寬的最重要因素，因?yàn)檫@個(gè)電容會(huì)衰減高頻成分，把信號(hào)的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下Cprobe應(yīng)該為0，但是實(shí)際做不到。一般無源探頭的輸入電容在10pf至幾百pf間，帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pf至幾pf間。

　　再其次，探頭輸入端還會(huì)受到電感的影響。探頭的輸入電阻和電容都比較好理解，探頭輸入端的電感卻經(jīng)常被忽視，尤其是在高頻測量的時(shí)候。電感來自于哪里呢？我們知道有導(dǎo)線就會(huì)有電感，探頭和被測電路間一定會(huì)有一段導(dǎo)線連接，同時(shí)信號(hào)的回流還要經(jīng)過探頭的地線。通常1mm探頭的地線會(huì)有大約1nH的電感，信號(hào)和地線越長，電感值越大。探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，當(dāng)電感值太大時(shí)，在輸入信號(hào)的激勵(lì)下就有可能產(chǎn)生高頻諧振，造成信號(hào)的失真。所以高頻測試時(shí)需要嚴(yán)格控制信號(hào)和地線的長度，否則很容易產(chǎn)生振鈴。

　　在了解探頭的結(jié)構(gòu)之前，需要先了解一下示波器輸入接口的結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@里是連接探頭的地方，示波器的輸入接口電路和探頭共同組成了我們的探測系統(tǒng)。

　　大部分的示波器輸入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式。示波器的輸入端有1M歐姆或50歐姆的匹配電阻。示波器的探頭種類很多，但是示波器的的匹配永遠(yuǎn)只有1M歐姆或50歐姆兩種選擇，不同種類的探頭需要不同的匹配電阻形式。

　　從電壓測量的角度來說，為了對被測電路影響小，示波器可以采用1M歐姆的高輸入阻抗，但是由于高阻抗電路的帶寬很容易受到寄生電容的影響。所以1M歐姆的輸入阻抗廣泛應(yīng)用與500M帶寬以下的測量。對于更高頻率的測量，通常采用50歐姆的傳輸線，所以示波器的50歐姆匹配主要用于高頻測量。

　　傳統(tǒng)上來說，市面上100MHz帶寬以下的示波器大部分只有1M歐姆輸入，因?yàn)椴粫?huì)用于高頻測量；100MHz～1GHz帶寬的示波器大部分有1M歐姆和50歐姆的切換選擇，同時(shí)兼顧高低頻測量；2GHz或更高帶寬的示波器由于主要用于高頻測量，所以大部分只有50歐姆輸入。不過隨著市場的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1M歐姆和50歐姆的輸入切換。

　　廣義的意義上說，測試電纜也屬于一種探頭，比如BNC或SMA電纜，而且這種探頭既便宜性能又高。但是使用測試電纜連接時(shí)需要在被測電路上也有BNC或SMA的接口，所以應(yīng)用場合有限，主要用于射頻和微波信號(hào)測試。對于數(shù)字或通用信號(hào)的測試，還是需要專門的探頭。

　　示波器的探頭按是否需要供電可以分為無源探頭和有源探頭，按測量的信號(hào)類型可以分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。所謂的無源探頭，是指整個(gè)探頭都由無源器件構(gòu)成，包括電阻、電容、電纜等；而有源探頭內(nèi)部一般有放大 器，放大器是需要供電的，所以叫有源探頭。

　　無源探頭根據(jù)輸入阻抗的大小又分為高阻無源探頭和低阻無源探頭兩種。

　　高阻無源探頭即我們通常所說的無源探頭，應(yīng)用最為廣泛，基本上每個(gè)使用過示波器的人都接觸過這種探頭。高阻無源探頭和示波器相連時(shí)，要求示波器端的輸入阻抗是1M歐姆。以下是一個(gè)10：1 高阻無源探頭的原理框圖。

　　為了方便測量，探頭通常都會(huì)有1米左右的長度，如果不加匹配電路，很難想象探頭能夠提供數(shù)百兆Hz的帶寬的。示波器的輸入寄生電容也會(huì)影響帶寬。為了改善探頭的高頻相應(yīng)，探頭前端會(huì)有相應(yīng)的匹配電路，最典型的就是一個(gè)Rprobe和Cprobe的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。探頭要在帶內(nèi)產(chǎn)生平坦增益的一個(gè)條件是要滿足Rprobe*Cprobe=Rscope*Cscope，具體推導(dǎo)就不做了，感興趣的可以自己推一下。我們前面介紹過，Cscope是示波器的寄生電容，所以其只能控制在一定范圍內(nèi)，但不能精確控制，也就是說不同示波器或示波器的不同通道間Cscope的值會(huì)不太一樣。為了補(bǔ)償不同通道Cscope的變化，在探頭接示波器的一端處一般至少會(huì)有一個(gè)可調(diào)電容Ccomp。當(dāng)探頭接在不同通道上時(shí)可以通過調(diào)整Ccomp來補(bǔ)償Cscope的變化。幾乎所有示波器都提供一個(gè)低頻方波的輸出，可以通過用探頭測量這個(gè)方波的形狀來做調(diào)整。

　　Rprobe在改善頻響的同時(shí)會(huì)和示波器輸入電阻產(chǎn)生一個(gè)分壓，所謂10：1的分壓就是指示波器實(shí)際測量到的電壓是探頭前端處電壓的1/10，也就是信號(hào)經(jīng)過探頭會(huì)有一個(gè)10倍衰減。比較簡單的探頭需要手工設(shè)置示波器的探頭衰減倍數(shù)來得到正確的顯示，更多的探頭在和示波器連接端有一個(gè)自動(dòng)檢測的針腳，當(dāng)探頭插上時(shí)示波器可以通過這個(gè)pin讀出探頭的衰減比，并自動(dòng)調(diào)整顯示的比例。

　　高阻無源探頭中還有2個(gè)特殊的種類。一類是高壓探頭，其衰減比可達(dá)100:1或1000:1，所以測量電壓范圍很大；還有一類是1:1的探頭，即信號(hào)沒有衰減就進(jìn)入示波器，由于不象10：1的探頭那樣需要示波器再放大顯示，所以示波器本身的噪聲沒有放大，測量的噪聲會(huì)小很多，在小信號(hào)和電源紋波的測量場合應(yīng)用很多。

　　高阻無源探頭的優(yōu)點(diǎn)是便宜，因?yàn)槌杀静桓撸瑫r(shí)輸入阻抗高，測量范圍大，連接方便，所以廣泛應(yīng)用于通用測試場合。但是隨著測試頻率的提高，各種二階寄生參數(shù)很難控制，僅僅靠簡單的匹配電路已經(jīng)不能把帶寬再提高了，所以高阻無源探頭的帶寬一般都在600MHz以下。

　　另一種無源探頭是低阻無源探頭，這是最不常用的一種探頭，但有其自身的特點(diǎn)。以下是這種探頭的原理框圖。

　　低阻無源探頭要求示波器的輸入阻抗為50 歐姆，前端等效串了一個(gè)分壓電阻。根據(jù)串阻阻值的不同，可以實(shí)現(xiàn)不同的分壓比，比如串個(gè)450 歐姆的電阻就是10：1 的分壓。由于采用50 歐姆的傳輸電纜，示波器端也是50 歐姆的匹配，所以整個(gè)探頭的帶寬比較高。如Agilent 的54006A 探頭帶寬可以達(dá)6GHz。

　　但是由于探頭的輸入阻抗低（只有500 歐姆或 1k 歐姆），測試中如果并在電路里還是可能對被測信號(hào)產(chǎn)生一點(diǎn)影響的，特別對高輸出阻抗的電路，因此應(yīng)用不是特別廣泛。

　　低阻無源探頭的最大好處是以接近普通高阻無源探頭的價(jià)格提供了比較高的測試帶寬（1G～6GHz），缺點(diǎn)主要是輸入阻抗低。

　　前面我們介紹過高阻無源探頭的輸入阻抗高，但帶寬做不高，低阻無源探頭帶寬可以做高但輸入阻抗不高。那么能不能有一種探頭輸入阻抗又高帶寬又高呢？實(shí)際上是有的，這種探頭就是有源探頭。

　　其實(shí)有源探頭也是個(gè)廣泛的說法，是指需要供電的探頭。應(yīng)用比較廣泛的有源電壓探頭的原理如下。

　　有源探頭的前端有一個(gè)高帶寬的放大器，放大器是需要供電的，這也是有源探頭名稱的由來。我們知道放大器的輸入阻抗都是比較高的，所以有源探頭可以提供比較高的輸入阻抗；同時(shí)放大器的輸出驅(qū)動(dòng)能力又很強(qiáng)，所以可以直接驅(qū)動(dòng)后面50 歐姆的負(fù)載和傳輸線。由于50 歐姆的傳輸線可以提供很高的傳輸帶寬，再加上放大器本身帶寬較高，所以整個(gè)探頭系統(tǒng)相比無源探頭就可以提供更高帶寬。

　　我們可以看到有源探頭的所有優(yōu)異特性都是由其前端的放大器帶來的，但是這個(gè)高帶寬的放大器造價(jià)很高，而且又要放在探頭前端有限的空間內(nèi)，因此實(shí)現(xiàn)成本很高。一般無源探頭的價(jià)格都是幾百美金左右，而有源探頭的價(jià)格普遍在幾千美金量級，所以有源探頭一般用在需要高的測量帶寬的場合。

　　但是有源探頭也不是沒有缺點(diǎn)，限制有源探頭廣泛應(yīng)用的除了價(jià)格因素外，另外一個(gè)原因在于其有限的動(dòng)態(tài)范圍。我們知道象這種高帶寬放大器的輸入電壓范圍是不可能很大的，所以它不可能象無源探頭有那么大的測量范圍。一般常用的10：1的無源探頭的動(dòng)態(tài)范圍普遍在幾百伏，而一般有源探頭的典型動(dòng)態(tài)范圍都在幾伏左右，所以應(yīng)用場合會(huì)有一些限制。

　　有源探頭里還有一個(gè)分支是差分有源探頭，區(qū)別在于其前端的放大器是差分放大器。差分放大器的好處是可以直接測試高速的差分信號(hào)，同時(shí)其共模抑制比高，對共模噪聲的抑制能力比較好。

　　還有一種有源探頭是電流探頭，電流探頭使的前端有一個(gè)磁環(huán)，使用時(shí)這個(gè)磁環(huán)套在被測的供電線上。由于電流流過電線所產(chǎn)生的磁場就被這個(gè)磁環(huán)收集到，磁通量和電線上流過的電流成正比。磁環(huán)內(nèi)部有一個(gè)霍爾傳感器，可以檢測磁通量，其輸出電壓和磁通量成正比。因此，電流探頭的輸出電壓就和被測電線上流過的電流成正比。典型電流探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)是0.1V/A 或 0.01V/A。

　　電流探頭的主要好處是不用斷開供電線就可以進(jìn)行電流測量，同時(shí)由于其基于霍爾效應(yīng)，所以即可以進(jìn)行直流測量，也可以用于交流測量。電流探頭的典型應(yīng)用場合是系統(tǒng)功率測量、功率因子測量、開關(guān)機(jī)沖擊電流波形測量等。電流探頭的主要缺點(diǎn)在于其小電流的測量能力受限于示波器的底噪聲，所以小電流測量能力有限。一般小于10mA 的電流就很難測量到了。（完）