進行準確的高速時域測量可能具有挑戰性，但找到有助于改進某種技術的信息不應該如此。了解示波器和探頭的基礎知識總是有幫助的，但是可以采用一些額外的技巧和一些好的老式常識工程來幫助產生快速和準確的結果。以下是我在過去25年中積累的一些技巧和技巧。將測量工具包中的一部分納入您的測量工具包中可以幫助您提高測量結果。

只需從架子上抓取示波器，抽屜中的探頭就無法進行高速測量。在為高速測量選擇合適的示波器和探頭時，首先要考慮：信號幅度，源阻抗，上升時間和帶寬。

選擇示波器和探頭

有數百種示波器可用，從非常簡單的便攜式型號到專用的機架式數字存儲示波器，可能需要花費數十萬美元（僅一些高端探頭可能需要花費超過10,000美元）。伴隨這些示波器的各種探頭也令人印象深刻，包括無源，有源，電流測量，光學，高壓和差分類型。提供對可用的每個示波器和探頭類別的完整和全面的描述超出了本文的范圍，因此我們將重點關注利用無源探頭進行高速電壓測量的范圍。

示波器這里討論的探針和探針用于測量以寬帶寬和短上升時間為特征的信號。除了這些規范外，還需要了解電路對負載電阻，電容和電感的敏感性。使用高電容探頭時，快速上升時間會變形;在某些應用中，電路可能根本不能容忍探頭的存在（例如，當電容放在其輸出端時，某些高速放大器會振鈴）。了解電路限制和期望將有助于您選擇適當的示波器和探頭組合以及使用它們的最佳技術。

首先，信號帶寬和上升時間將限制范圍選擇。一般準則是示波器和探頭帶寬應至少為被測信號帶寬的三到五倍。

帶寬

被測信號是否以模擬信號或在數字電路中，示波器需要有足夠的帶寬來忠實地再現信號。對于模擬測量，測量的最高頻率將決定示波器帶寬。對于數字測量，通常是上升時間 - 而不是重復率 - 決定了所需的帶寬。示波器的帶寬以-3 dB頻率為特征，即正弦波顯示幅度下降到輸入幅度的70.7％的點，即

（1）

確保示波器具有足夠的帶寬以最小化錯誤。絕不應在示波器-3 dB帶寬附近的頻率下進行測量，因為這會在正弦波測量中引入30％的自動幅度誤差。圖1是一個方便的曲線圖，顯示了幅度精度的典型降額與被測量的最高頻率與示波器帶寬之比。

例如，300 MHz示波器將高達30％ 300 MHz時的誤差。為了將誤差保持在3％以下，可測量的最大信號帶寬約為0.3×300 MHz或90 MHz。換句話說，要準確測量100 MHz信號（<3％誤差），您需要至少300 MHz的帶寬。圖1中的圖表說明了一個關鍵點：為保持幅度誤差合理，示波器和探頭組合的帶寬應至少為被測信號帶寬的三到五倍。對于幅度誤差小于1％，示波器帶寬必須至少是信號帶寬的五倍。

對于數字電路，上升時間特別令人感興趣。為確保示波器能夠忠實地再現上升時間，可以使用預期或預期的上升時間來確定示波器的帶寬要求。該關系假定電路響應類似于單極低通RC網絡，如圖2所示。

響應施加的電壓階躍，輸出電壓可以使用公式2。

（2）

響應步長的上升時間定義為輸出從步幅的10％到90％所需的時間。使用公式2，脈沖的10％點為0.1 RC，90％點為2.3 RC。他們之間的區別是2.2 RC。由于-3 dB帶寬 f 等于1 /（2πRC），上升時間t r 為2.2 RC，

因此，利用單極探針響應，可以使用公式3來求解信號的等效帶寬，了解上升時間。例如，如果信號的上升時間為2 ns，則等效帶寬為175 MHz。

（4）

< p>為了將誤差保持在3％，示波器加探頭帶寬應至少比被測信號快三倍。因此，應使用600 MHz示波器精確測量2 ns的上升時間。

探頭解剖

鑒于它們的簡單性，探頭是非常了不起的器件。探頭由探頭尖端（包含并聯RC網絡），一段屏蔽線，補償網絡和接地夾組成。探頭最重要的要求是盡可能少地在示波器和電路之間提供一個非侵入性接口，同時允許示波器呈現接近完美的被測信號表示。

探頭在真空管的時代重新開始。對于柵格和板的測量，需要高阻抗以最小化信號節點的負載。這個原則今天仍然很重要。高阻抗探頭不會顯著加載電路，從而可以準確了解測量節點的真實情況。

根據我在實驗室的經驗，最常用的探頭是10×和1×無源探頭; 10×有源FET探頭緊隨其后。 10倍無源探頭將信號衰減10倍。它具有10M歐姆輸入阻抗和10pF典型尖端電容。沒有衰減的1×探頭直接測量信號。它具有1M歐姆的輸入阻抗，尖端電容高達100 pF。圖3顯示了10×10M歐姆探頭的典型示意圖。

R P （9M ohm）和Cp在探頭尖端，R1是示波器輸入電阻，C1將示波器輸入電容和電容組合在補償盒中探頭。為了精確測量，兩個RC時間常數（R p C p 和R 1 C 1 ）必須是等于;不平衡會在上升時間和幅度上引入誤差。因此，在進行測量之前始終校準示波器和探頭非常重要。

校準

獲取工作示波器和探頭后應首先做的事情之一是校準探頭以確保其內部RC時間常數匹配。通常會跳過此步驟，因為它被認為是不必要的。

圖4顯示了如何將探頭正確連接到示波器的探頭補償輸出。通過使用非磁性調節工具旋轉補償盒上的調節螺釘來完成校準，直到達到平坦響應。

圖5顯示了由補償不足，過補償的探頭產生的波形，并妥善補償。

注意欠補償或過補償探頭如何在上升時間和幅度測量中引入顯著誤差。一些示波器具有內置校準。如果您的示波器有一個，請確保在進行測量之前運行它。

圖5.探頭補償：a ）補償不足。 b）過度補償。 c）適當補償。

地面剪輯和高 - 速度測量

它們固有的寄生電感使得接地夾和實際的高速測量相互排斥。圖6顯示了帶有接地夾的示波器探頭的示意圖。探頭LC組合形成串聯諧振電路 - 諧振電路是振蕩器的基礎。

這種增加的電感不是一個理想的特性，因為系列 - LC組合可以為其他干凈的波形增加顯著的過沖和振鈴。由于示波器的帶寬有限，這種振鈴和過沖通常不被注意。例如，如果使用100 MHz示波器測量包含200 MHz振蕩的信號，則振鈴將不可見，并且由于帶寬有限，信號將高度衰減。請記住，對于100 MHz示波器，圖1在100 MHz時顯示3 dB衰減，每倍頻程持續下降6 dB。因此，200 MHz寄生振鈴將下降近9 dB，減少到原始振幅的近35％，這使得很難看到。然而，通過更高速度的測量和更寬的帶寬范圍，地面剪輯的影響清晰可見。

接地片引入的振鈴頻率可以通過使用公式5計算接地片的串聯電感來近似。 L 是nanohenrys中的電感， l 是以英寸為單位的電線長度， d 是以英寸為單位的電線直徑。

然后可以將公式5的結果插入公式6中以計算諧振頻率， f （Hz）。 L 是henrys中接地夾的電感， C 是被探測節點的總電容（法拉） - 探頭電容加上任何寄生電容。

（6）

讓我們看一些使用不同長度的地面剪輯的例子。在第一個示例中，使用11 pF探頭和6.5英寸接地夾來測量快速上升的脈沖邊沿。結果如圖7所示。乍一看脈沖響應看起來很干凈，但經過仔細檢查，可以看到非常低水平的100 MHz阻尼振蕩。

讓我們用物理代替等式5和6中探頭的特征，用于檢查此100 MHz振蕩是否由接地引線引起。接地夾長度為6.5英寸，導線直徑為0.03英寸;這產生190nH的電感。將該值插入公式6，以及 C = 13 pF（來自示波器探頭的11 pF和2 pF的雜散電容）產生大約101 MHz。這與觀察到的頻率的良好相關性使我們得出結論，6.5英寸接地夾是低電平振蕩的原因。

現在考慮一種更極端的情況，即應用更快的信號，上升時間為2 ns。這通常可以在許多高速PC板上找到。使用TDS2000系列示波器，圖8a顯示存在顯著的過沖和長時間振鈴。原因是2 ns的更快上升時間，其帶寬相當于175 MHz，具有足夠的能量來刺激探針引線的100 MHz系列LC。過沖和振鈴峰峰值約為50％。典型接地的這種影響清晰可見，在高速測量中完全不可接受。

通過消除接地引線，對所施加的輸入信號的響應顯示出更好的保真度（圖8b）。 p>

圖8. a）使用6.5英寸接地夾以2 ns上升時間對步進響應。 b）沒有地線的階躍響應。

準備高速測量的探頭

為了獲得有意義的范圍圖我們需要擺脫接地電路夾住并拆除探頭。那是對的，把那個非常好的探針分開！丟棄的第一件事是壓入式探頭尖端適配器。接下來，擰下探頭尖端周圍的塑料套管。

圖9. a）探測開箱即用。 b）準備進行高速測量的探頭。 c）使用未經修改的探頭進行測量。d）使用高速探頭進行測量。

圖10.精簡范圍探針的基礎方法。

下一步去是地面剪輯。圖9顯示了示波器探頭的前（a）和后（b）轉換。圖9c顯示了使用6英寸接地夾測量脈沖發生器的上升沿; （d）顯示了配置用于高速測量的探頭的相同測量，如9b所示。結果與圖8中的結果一樣，可能是戲劇性的。接下來，需要校準簡化的剝離探針（參見圖4）。校準后，探頭即可使用。只需轉到測試點，然后在探頭的外部金屬屏蔽上拾取一個局部接地。訣竅是在示波器探頭屏蔽處拾取接地連接。這消除了使用提供的探頭接地夾引入的任何串聯電感。圖10a顯示了使用流線型探針的正確探測技術。如果無法方便地接地，請使用一對金屬鑷子，小螺絲刀或甚至回形針來接地，如圖10b所示。如圖10c所示，可以在尖端周圍纏繞一段總線，以允許更多的靈活性并能夠探測多個點（在一個小區域內）。

更好，如果可行的話，是在板上設計專用的高頻測試點（圖11）。這種探頭尖端適配器為使用裸探頭尖端提供了上述所有優勢，可以快速準確地測量多個點。

探頭電容效應

探頭電容會影響上升時間和幅度測量;它還會影響某些器件的穩定性。

探頭電容直接增加了被探測的節點電容。增加的電容會增加節點時間常數，從而減慢脈沖的上升沿和下降沿。例如，如果脈沖發生器連接到任意容性負載，其中 C L = C 1 ，如圖12所示，相關的上升時間可以從公式8計算，其中 R S （= R 1 < / em>，如圖12所示，是源阻力。

（7 ）

如果 R S = 50歐姆且 C < sub> L = 20 pF，然后 t r = 2.2 ns。

接下來，讓我們考慮相同的電路用10 pF，10×探針探測。新電路如圖13所示?？傠娙莠F在為31 pF，新的上升時間為3.4 ns，上升時間增加了54％以上！顯然這是不可接受的，但還有其他選擇嗎？

有源探頭是探測高速電路的另一個不錯的選擇。與衰減信號的無源探頭相比，有源或FET探頭包含放大信號的有源晶體管（通常是FET）。有源探頭的優勢在于其極寬的帶寬，高輸入阻抗和低輸入電容。另一種方法是使用具有高衰減系數的示波器探頭。通常，較高衰減系數的探頭具有較小的電容。

探頭尖端電容不僅會導致上升時間測量誤差;它還可能導致某些電路振鈴，過沖，或者在極端情況下變得不穩定。例如，許多高速運算放大器對其輸出端和反相輸入端的電容負載的影響很敏感。

當輸出端引入電容（在本例中為示波器探頭尖端）時在高速放大器中，放大器的輸出電阻和電容在反饋響應中形成一個額外的極點。極點引入相移并降低放大器的相位裕度，這可能導致不穩定。相位裕度的損失可能導致振鈴，過沖和振蕩。圖14顯示了使用Tektronix P61131 10 pF，10倍示波器探頭，使用適當的高速接地探測高速放大器的輸出。該信號具有1300 mV的過沖，12 ns的持續振鈴。顯然，這不適合這個應用程序。

幸運的是，這個問題有一些解決方案。首先，使用較低電容的探頭。在圖15中，使用Tektronix P6204 1.1 GHz 有源 10×FET探頭（1.7 pF）進行相同的測量，如圖14所示，再次進行適當的高速接地。

在這種情況下，使用較低電容的有源探頭可以顯著降低過沖（600 mV）和振鈴（5 ns）。

另一種技術是包含少量系列使用示波器探頭的電阻（通常為25歐姆至50歐姆）。這將有助于隔離放大器輸出的電容并減少振鈴和過沖。

傳播延遲

測量傳播延遲的一種簡單方法是探測被測器件（DUT） ）同時輸入和輸出。傳感延遲可以很容易地從示波器顯示中讀取為兩個波形之間的時間差。

然而，在測量短傳播延遲（<10 ns）時，必須注意確保兩個示波器探頭是相同的長度。由于導線中的傳播延遲大約為1.5 ns / ft，因此配對不同長度的探頭會導致相當大的誤差。例如，使用3英尺探頭和6英尺探頭測量信號的傳播延遲會引入大約4.5 ns的延遲誤差 - 在進行單位或雙位納秒測量時會出現嚴重誤差。

如果兩個相等長度的探頭不可用（通常是這種情況），請執行以下操作：將兩個探頭連接到公共源（例如，脈沖發生器）并記錄傳播延遲差異。這是“校準因子”。然后通過從較長探針讀數中減去該數字來校正測量結果。

結論

雖然高速測試并不過分復雜，但影響因素很多在進入實驗室進行高速時域測量時必須考慮。帶寬，校準，上升時間測量范圍和探頭選擇以及探頭尖端和接地引線長度都在測量的質量和完整性中起著重要作用。采用這里提到的一些技術將有助于加快測量過程并提高結果的整體質量。欲了解更多信息，請訪問www.analog.com和www.tek.com。

參考電路

1 ABC的Probes Primer 。 Tektronix，Inc。2005。

2 Mittermayer，Christoph和Andreas Steininger。 “用示波器確定上升時間測量的動態誤差?！?IEEE儀表與測量指南，48-6。 1999年12月。

3 Millman，Jacob和Herbert Taub。 脈沖，數字和開關波形。麥格勞 - 希爾，1965年.ISBN 07-042386-5。

4 探針輸入電容對測量精度的影響。 Tektronix，Inc。1996。

致謝

圖1，圖6，圖7，圖8，圖11，圖12和圖13由Tektronix公司提供，經許可。