你不知道的一些高速时域测量的实用技巧

进行准确的高速时域测量可能具有挑战性，但找到有助于改进某种技术的信息不应该如此。了解示波器和探头的基础知识总是有帮助的，但是可以采用一些额外的技巧和一些好的老式常识工程来帮助产生快速和准确的结果。以下是我在过去25年中积累的一些技巧和技巧。将测量工具包中的一部分纳入您的测量工具包中可以帮助您提高测量结果。

只需从架子上抓取示波器，抽屉中的探头就无法进行高速测量。在为高速测量选择合适的示波器和探头时，首先要考虑：信号幅度，源阻抗，上升时间和带宽。

选择示波器和探头

有数百种示波器可用，从非常简单的便携式型号到专用的机架式数字存储示波器，可能需要花费数十万美元（仅一些高端探头可能需要花费超过10,000美元）。伴随这些示波器的各种探头也令人印象深刻，包括无源，有源，电流测量，光学，高压和差分类型。提供对可用的每个示波器和探头类别的完整和全面的描述超出了本文的范围，因此我们将重点关注利用无源探头进行高速电压测量的范围。

示波器这里讨论的探针和探针用于测量以宽带宽和短上升时间为特征的信号。除了这些规范外，还需要了解电路对负载电阻，电容和电感的敏感性。使用高电容探头时，快速上升时间会变形;在某些应用中，电路可能根本不能容忍探头的存在（例如，当电容放在其输出端时，某些高速放大器会振铃）。了解电路限制和期望将有助于您选择适当的示波器和探头组合以及使用它们的最佳技术。

首先，信号带宽和上升时间将限制范围选择。一般准则是示波器和探头带宽应至少为被测信号带宽的三到五倍。

带宽

被测信号是否以模拟信号或在数字电路中，示波器需要有足够的带宽来忠实地再现信号。对于模拟测量，测量的最高频率将决定示波器带宽。对于数字测量，通常是上升时间 - 而不是重复率 - 决定了所需的带宽。示波器的带宽以-3 dB频率为特征，即正弦波显示幅度下降到输入幅度的70.7％的点，即

（1）

确保示波器具有足够的带宽以最小化错误。绝不应在示波器-3 dB带宽附近的频率下进行测量，因为这会在正弦波测量中引入30％的自动幅度误差。图1是一个方便的曲线图，显示了幅度精度的典型降额与被测量的最高频率与示波器带宽之比。

例如，300 MHz示波器将高达30％ 300 MHz时的误差。为了将误差保持在3％以下，可测量的最大信号带宽约为0.3×300 MHz或90 MHz。换句话说，要准确测量100 MHz信号（<3％误差），您需要至少300 MHz的带宽。图1中的图表说明了一个关键点：为保持幅度误差合理，示波器和探头组合的带宽应至少为被测信号带宽的三到五倍。对于幅度误差小于1％，示波器带宽必须至少是信号带宽的五倍。

对于数字电路，上升时间特别令人感兴趣。为确保示波器能够忠实地再现上升时间，可以使用预期或预期的上升时间来确定示波器的带宽要求。该关系假定电路响应类似于单极低通RC网络，如图2所示。

响应施加的电压阶跃，输出电压可以使用公式2。

（2）

响应步长的上升时间定义为输出从步幅的10％到90％所需的时间。使用公式2，脉冲的10％点为0.1 RC，90％点为2.3 RC。他们之间的区别是2.2 RC。由于-3 dB带宽 f 等于1 /（2πRC），上升时间t r 为2.2 RC，

（3）

因此，利用单极探针响应，可以使用公式3来求解信号的等效带宽，了解上升时间。例如，如果信号的上升时间为2 ns，则等效带宽为175 MHz。

（4）

< p>为了将误差保持在3％，示波器加探头带宽应至少比被测信号快三倍。因此，应使用600 MHz示波器精确测量2 ns的上升时间。

探头解剖

鉴于它们的简单性，探头是非常了不起的器件。探头由探头尖端（包含并联RC网络），一段屏蔽线，补偿网络和接地夹组成。探头最重要的要求是尽可能少地在示波器和电路之间提供一个非侵入性接口，同时允许示波器呈现接近完美的被测信号表示。

探头在真空管的时代重新开始。对于栅格和板的测量，需要高阻抗以最小化信号节点的负载。这个原则今天仍然很重要。高阻抗探头不会显着加载电路，从而可以准确了解测量节点的真实情况。

根据我在实验室的经验，最常用的探头是10×和1×无源探头; 10×有源FET探头紧随其后。 10倍无源探头将信号衰减10倍。它具有10M欧姆输入阻抗和10pF典型尖端电容。没有衰减的1×探头直接测量信号。它具有1M欧姆的输入阻抗，尖端电容高达100 pF。图3显示了10×10M欧姆探头的典型示意图。

R P （9M ohm）和Cp在探头尖端，R1是示波器输入电阻，C1将示波器输入电容和电容组合在补偿盒中探头。为了精确测量，两个RC时间常数（R p C p 和R 1 C 1 ）必须是等于;不平衡会在上升时间和幅度上引入误差。因此，在进行测量之前始终校准示波器和探头非常重要。

校准

获取工作示波器和探头后应首先做的事情之一是校准探头以确保其内部RC时间常数匹配。通常会跳过此步骤，因为它被认为是不必要的。

图4显示了如何将探头正确连接到示波器的探头补偿输出。通过使用非磁性调节工具旋转补偿盒上的调节螺钉来完成校准，直到达到平坦响应。

图5显示了由补偿不足，过补偿的探头产生的波形，并妥善补偿。

注意欠补偿或过补偿探头如何在上升时间和幅度测量中引入显着误差。一些示波器具有内置校准。如果您的示波器有一个，请确保在进行测量之前运行它。

图5.探头补偿：a ）补偿不足。 b）过度补偿。 c）适当补偿。

地面剪辑和高 - 速度测量

它们固有的寄生电感使得接地夹和实际的高速测量相互排斥。图6显示了带有接地夹的示波器探头的示意图。探头LC组合形成串联谐振电路 - 谐振电路是振荡器的基础。

这种增加的电感不是一个理想的特性，因为系列 - LC组合可以为其他干净的波形增加显着的过冲和振铃。由于示波器的带宽有限，这种振铃和过冲通常不被注意。例如，如果使用100 MHz示波器测量包含200 MHz振荡的信号，则振铃将不可见，并且由于带宽有限，信号将高度衰减。请记住，对于100 MHz示波器，图1在100 MHz时显示3 dB衰减，每倍频程持续下降6 dB。因此，200 MHz寄生振铃将下降近9 dB，减少到原始振幅的近35％，这使得很难看到。然而，通过更高速度的测量和更宽的带宽范围，地面剪辑的影响清晰可见。

接地片引入的振铃频率可以通过使用公式5计算接地片的串联电感来近似。 L 是nanohenrys中的电感， l 是以英寸为单位的电线长度， d 是以英寸为单位的电线直径。

（5）

然后可以将公式5的结果插入公式6中以计算谐振频率， f （Hz）。 L 是henrys中接地夹的电感， C 是被探测节点的总电容（法拉） - 探头电容加上任何寄生电容。

（6）

让我们看一些使用不同长度的地面剪辑的例子。在第一个示例中，使用11 pF探头和6.5英寸接地夹来测量快速上升的脉冲边沿。结果如图7所示。乍一看脉冲响应看起来很干净，但经过仔细检查，可以看到非常低水平的100 MHz阻尼振荡。

让我们用物理代替等式5和6中探头的特征，用于检查此100 MHz振荡是否由接地引线引起。接地夹长度为6.5英寸，导线直径为0.03英寸;这产生190nH的电感。将该值插入公式6，以及 C = 13 pF（来自示波器探头的11 pF和2 pF的杂散电容）产生大约101 MHz。这与观察到的频率的良好相关性使我们得出结论，6.5英寸接地夹是低电平振荡的原因。

现在考虑一种更极端的情况，即应用更快的信号，上升时间为2 ns。这通常可以在许多高速PC板上找到。使用TDS2000系列示波器，图8a显示存在显着的过冲和长时间振铃。原因是2 ns的更快上升时间，其带宽相当于175 MHz，具有足够的能量来刺激探针引线的100 MHz系列LC。过冲和振铃峰峰值约为50％。典型接地的这种影响清晰可见，在高速测量中完全不可接受。

通过消除接地引线，对所施加的输入信号的响应显示出更好的保真度（图8b）。 p>

图8. a）使用6.5英寸接地夹以2 ns上升时间对步进响应。 b）没有地线的阶跃响应。

准备高速测量的探头

为了获得有意义的范围图我们需要摆脱接地电路夹住并拆除探头。那是对的，把那个非常好的探针分开！丢弃的第一件事是压入式探头尖端适配器。接下来，拧下探头尖端周围的塑料套管。

图9. a）探测开箱即用。 b）准备进行高速测量的探头。 c）使用未经修改的探头进行测量。d）使用高速探头进行测量。

图10.精简范围探针的基础方法。

下一步去是地面剪辑。图9显示了示波器探头的前（a）和后（b）转换。图9c显示了使用6英寸接地夹测量脉冲发生器的上升沿; （d）显示了配置用于高速测量的探头的相同测量，如9b所示。结果与图8中的结果一样，可能是戏剧性的。接下来，需要校准简化的剥离探针（参见图4）。校准后，探头即可使用。只需转到测试点，然后在探头的外部金属屏蔽上拾取一个局部接地。诀窍是在示波器探头屏蔽处拾取接地连接。这消除了使用提供的探头接地夹引入的任何串联电感。图10a显示了使用流线型探针的正确探测技术。如果无法方便地接地，请使用一对金属镊子，小螺丝刀或甚至回形针来接地，如图10b所示。如图10c所示，可以在尖端周围缠绕一段总线，以允许更多的灵活性并能够探测多个点（在一个小区域内）。

更好，如果可行的话，是在板上设计专用的高频测试点（图11）。这种探头尖端适配器为使用裸探头尖端提供了上述所有优势，可以快速准确地测量多个点。

探头电容效应

探头电容会影响上升时间和幅度测量;它还会影响某些器件的稳定性。

探头电容直接增加了被探测的节点电容。增加的电容会增加节点时间常数，从而减慢脉冲的上升沿和下降沿。例如，如果脉冲发生器连接到任意容性负载，其中 C L = C 1 ，如图12所示，相关的上升时间可以从公式8计算，其中 R S （= R 1 < / em>，如图12所示，是源阻力。

（7 ）

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

接下来，让我们考虑相同的电路用10 pF，10×探针探测。新电路如图13所示。总电容现在为31 pF，新的上升时间为3.4 ns，上升时间增加了54％以上！显然这是不可接受的，但还有其他选择吗？

有源探头是探测高速电路的另一个不错的选择。与衰减信号的无源探头相比，有源或FET探头包含放大信号的有源晶体管（通常是FET）。有源探头的优势在于其极宽的带宽，高输入阻抗和低输入电容。另一种方法是使用具有高衰减系数的示波器探头。通常，较高衰减系数的探头具有较小的电容。

探头尖端电容不仅会导致上升时间测量误差;它还可能导致某些电路振铃，过冲，或者在极端情况下变得不稳定。例如，许多高速运算放大器对其输出端和反相输入端的电容负载的影响很敏感。

当输出端引入电容（在本例中为示波器探头尖端）时在高速放大器中，放大器的输出电阻和电容在反馈响应中形成一个额外的极点。极点引入相移并降低放大器的相位裕度，这可能导致不稳定。相位裕度的损失可能导致振铃，过冲和振荡。图14显示了使用Tektronix P61131 10 pF，10倍示波器探头，使用适当的高速接地探测高速放大器的输出。该信号具有1300 mV的过冲，12 ns的持续振铃。显然，这不适合这个应用程序。

幸运的是，这个问题有一些解决方案。首先，使用较低电容的探头。在图15中，使用Tektronix P6204 1.1 GHz 有源 10×FET探头（1.7 pF）进行相同的测量，如图14所示，再次进行适当的高速接地。

在这种情况下，使用较低电容的有源探头可以显着降低过冲（600 mV）和振铃（5 ns）。

另一种技术是包含少量系列使用示波器探头的电阻（通常为25欧姆至50欧姆）。这将有助于隔离放大器输出的电容并减少振铃和过冲。

传播延迟

测量传播延迟的一种简单方法是探测被测器件（DUT） ）同时输入和输出。传感延迟可以很容易地从示波器显示中读取为两个波形之间的时间差。

然而，在测量短传播延迟（<10 ns）时，必须注意确保两个示波器探头是相同的长度。由于导线中的传播延迟大约为1.5 ns / ft，因此配对不同长度的探头会导致相当大的误差。例如，使用3英尺探头和6英尺探头测量信号的传播延迟会引入大约4.5 ns的延迟误差 - 在进行单位或双位纳秒测量时会出现严重误差。

如果两个相等长度的探头不可用（通常是这种情况），请执行以下操作：将两个探头连接到公共源（例如，脉冲发生器）并记录传播延迟差异。这是“校准因子”。然后通过从较长探针读数中减去该数字来校正测量结果。

结论

虽然高速测试并不过分复杂，但影响因素很多在进入实验室进行高速时域测量时必须考虑。带宽，校准，上升时间测量范围和探头选择以及探头尖端和接地引线长度都在测量的质量和完整性中起着重要作用。采用这里提到的一些技术将有助于加快测量过程并提高结果的整体质量。欲了解更多信息，请访问www.analog.com和www.tek.com。

参考电路

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

2 Mittermayer，Christoph和Andreas Steininger。 “用示波器确定上升时间测量的动态误差。” IEEE仪表与测量指南，48-6。 1999年12月。

3 Millman，Jacob和Herbert Taub。 脉冲，数字和开关波形。麦格劳 - 希尔，1965年.ISBN 07-042386-5。

4 探针输入电容对测量精度的影响。 Tektronix，Inc。1996。

致谢

图1，图6，图7，图8，图11，图12和图13由Tektronix公司提供，经许可。