示波器探頭正確使用方法

電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，在使用最普遍的測(cè)量?jī)x器示波器時(shí)，示波器與信號(hào)正確之間連接的重要性往往被低估。不用懷疑像USB3.0高達(dá)5GBit/s高數(shù)據(jù)速率的信號(hào)測(cè)試時(shí)，需要特殊的探頭和連接方法。但是，大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師會(huì)遇到中頻的信號(hào)頻率。當(dāng)處理器的時(shí)鐘頻率在約30MHz時(shí)，為什么就要擔(dān)心信號(hào)完整性問(wèn)題、連接探頭的方法、或是否需要特殊的有源探頭呢？

僅僅只是看時(shí)鐘速率，好的350M帶寬無(wú)源探頭就已足夠。在探頭連接信號(hào)時(shí)，在電路上加載，并影響信號(hào)。這是一種事實(shí)：在示波器上看到的信號(hào)從來(lái)都不會(huì)與電路上實(shí)際信號(hào)完全相同。因此，測(cè)試時(shí)，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(shí)地顯示原始信號(hào)。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，必須考慮通過(guò)接地連接、感性和容性負(fù)載施加在電路上的所有影響。

絕大多數(shù)信號(hào)失真是因?yàn)榉亲罴训慕拥剡B接?；疽?guī)則如下：盡量用最短的接地連接！但是，實(shí)際這種總體背景和常引用規(guī)則是什么呢？

探頭由一個(gè)輸入電容和電感的諧振電路組成。無(wú)源探頭輸入電容用指標(biāo)為10pF～13pF，并且很難改變。電感主要由接地連接來(lái)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(yīng)，將移到一個(gè)范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)感興趣的頻率范圍。

這里顯示的示例：在FPGA輸出端，使用一個(gè)真正的信號(hào)。在下圖顯示內(nèi)容為：上部為整個(gè)信號(hào)、下部為斜坡極其放大的部分信號(hào)。該信號(hào)重復(fù)頻率是2.23KHz，瞧！一個(gè)不希望的對(duì)信號(hào)的影響出現(xiàn)了。由于信號(hào)是一個(gè)現(xiàn)代FPGA輸出，多虧了使用了高帶寬和存儲(chǔ)深度的示波器，可以測(cè)量斜坡，其上升時(shí)間為3.2 ns。見(jiàn)圖1

圖1：一個(gè)典型快速上升時(shí)間信號(hào)

圖2顯示了信號(hào)的帶寬與它的上升時(shí)間和允許通過(guò)測(cè)量上升時(shí)間確定的帶寬。曲線表達(dá)了以下公式：帶寬=0.35/上升時(shí)間。這是信號(hào)頻率和上升時(shí)間轉(zhuǎn)換最有效的公式。

圖2: 信號(hào)帶寬與上升時(shí)間

在該例子中，明顯信號(hào)帶寬為120MHz。如果通過(guò)有源探頭測(cè)量該信號(hào)，并且改變接地連接，將會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果。為了進(jìn)行比較，下圖顯示了各種不同接地的測(cè)量結(jié)果。

圖3：各種不同接地的信號(hào)顯示

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

除了接地連接外，我們也應(yīng)考慮探頭帶寬和電路上容性加載的影響。例如：如果測(cè)試電路中為低電流CMOS技術(shù)，無(wú)源探頭的電容性負(fù)載必須用特殊的措施來(lái)觀察。這樣一個(gè)13pF的電容將是一個(gè)相當(dāng)大的負(fù)荷，該技術(shù)驅(qū)動(dòng)能力采用相對(duì)較小的輸出，它會(huì)隨著著信號(hào)的增加，延遲上升和下降的時(shí)間。如果無(wú)源探頭的電容影響太大，建議使用有源探頭。圖4顯示了3個(gè)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(cè)量點(diǎn)上使用了一根無(wú)源探頭，無(wú)源探頭測(cè)量的波形在通道2上顯示（藍(lán)色曲線）。

圖4：不同探頭在信號(hào)上的影響

白色曲線最好地真實(shí)顯示了信號(hào)，具有最短的上升時(shí)間；白色和黃色曲線間的差異，很明顯地顯示了無(wú)源探頭對(duì)信號(hào)的影響：上升時(shí)間從1.84ns到2.64ns發(fā)生了改變，接近43%；這是相當(dāng)大的，在一些電路，這可能會(huì)導(dǎo)致故障?，F(xiàn)在看藍(lán)色曲線，這個(gè)影響相當(dāng)明顯：不僅影響電路里的信號(hào)，而且示波器上的顯示不能真實(shí)反映實(shí)際波形。

總之，探頭的影響可由下列規(guī)則確定：有源探頭在測(cè)試點(diǎn)上的測(cè)試結(jié)果最接近真實(shí)信號(hào)（較低信號(hào)惡化）。有源探頭hold得住更真實(shí)的和更快的信號(hào)，并且緊跟采用容性負(fù)載更敏感的半導(dǎo)體技術(shù)。

從以上分析中可以看出，無(wú)源探頭會(huì)帶來(lái)各種各樣的問(wèn)題，這是許多用戶都不希望的結(jié)果。最短的接地一定產(chǎn)生一個(gè)良好的測(cè)量結(jié)果。普科科技PRBTEK建議工程師們配套特別的接地彈簧（見(jiàn)圖5），盡可能進(jìn)行短接地連接。技術(shù)進(jìn)步也表明：今天，即使標(biāo)準(zhǔn)電路其運(yùn)行的上升時(shí)間已到1ns～2 ns，如果使用無(wú)源探頭，對(duì)這些的信號(hào)將非常強(qiáng)烈，因此，需要使用?1pF輸入電容、超過(guò)示波器帶寬的有源探頭。

圖5：示波器探頭接地彈簧測(cè)試

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