高速時(shí)域測(cè)量——實(shí)際改進(jìn)技巧

不能簡(jiǎn)單地搬一臺(tái)現(xiàn)成的示波器和隨便從抽屜里取一根探頭用于高速測(cè)量。當(dāng)為高速測(cè)量選擇合適的示波器和探頭時(shí)，首先應(yīng)該考慮：信號(hào)幅度、信號(hào)源阻抗、上升時(shí)間和帶寬。

選擇示波器和探頭

目前有上百種示波器可供選擇，從非常簡(jiǎn)單的便攜式示波器到價(jià)格達(dá)幾十萬(wàn)美元的專(zhuān)用臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器（有些高檔探頭本身 價(jià)格就可能達(dá)一萬(wàn)美元以上）。與這些示波器相配的各種探頭種類(lèi)也非常多，包括無(wú)源、有源、電流測(cè)量、光測(cè)量、高電壓測(cè)量和差分信號(hào)測(cè)量探頭。對(duì)現(xiàn)有每一種 示波器和探頭種類(lèi)進(jìn)行全面徹底的描述超出了本文范圍，因此我們將集中討論使用無(wú)源探頭適合高速電壓測(cè)量的示波器。這里所討論的示波器和探頭通常用于測(cè)量具有寬帶和短上升時(shí)間特性的信號(hào)。除了這些指標(biāo)外，我們還需要知道電路對(duì)負(fù)載的靈敏度，包括阻性負(fù)載、容性負(fù)載和感性負(fù)載。例如，當(dāng)使用大電容探頭時(shí)，測(cè)量 快速上升時(shí)間的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生失真；在有些應(yīng)用中，電路根本不允許探頭插入其中（例如，有些高速放大器，當(dāng)將電容放在其輸出端時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩）。了解電路的極限值和期望值會(huì)有助于您選擇合適的示波器和探頭組合以及使用它們的最佳方法。

首先，信號(hào)帶寬和上升時(shí)間會(huì)限制示波器的選擇。一般原則是示波器和探頭的帶寬應(yīng)該至少是待測(cè)信號(hào)帶寬的三到五倍。

帶寬

不管待測(cè)信號(hào)出現(xiàn)在模擬電路還是數(shù)字電路，示波器都需要具有足夠的帶寬以如實(shí)地再現(xiàn)信號(hào)。對(duì)于模擬信號(hào)測(cè)量，待測(cè)信號(hào)的最高頻率將決定示波器的帶寬。對(duì)于數(shù)字信號(hào)測(cè)量，通常是上升時(shí)間 — 而不是重復(fù)頻率 — 決定所需要的示波器帶寬。

一般用-3 dB頻率表示示波器的帶寬，在-3dB處所顯示的正弦波的幅度相對(duì)最大輸入幅度下降到70.7％，即

(1)

保證示波器具有足夠帶寬以使誤差最小至關(guān)重要。絕不應(yīng)該在示波器的-3 dB帶寬附近做頻率測(cè)量，因?yàn)檫@在測(cè)量正弦波時(shí)會(huì)自動(dòng)引入30％的幅度誤差。圖1所示是幅度精度隨待測(cè)信號(hào)頻率與示波器帶寬比變化的典型衰減曲線。

圖1. 幅度衰減曲線

例如，300 MHz的示波器在測(cè)量300 MHz頻率處誤差會(huì)高達(dá)30％。為了將誤差保持在3％以下，其能夠測(cè)量的最大信號(hào)帶寬大約是0.3×300 MHz或90 MHz。換句話說(shuō)，為了精確地測(cè)量100 MHz信號(hào)（<3%誤差），您需要至少300 MHz帶寬的示波器。圖1的衰減曲線說(shuō)明了關(guān)鍵一點(diǎn)：為了保持幅度誤差合理，示波器和探頭組合的帶寬應(yīng)該至少為待測(cè)信號(hào)帶寬的3到5倍。為了保證幅度誤差 小于1％，示波器的帶寬應(yīng)該至少為信號(hào)帶寬的5倍。

對(duì)于數(shù)字電路，上升時(shí)間特別重要。為了保證示波器將如實(shí)地再現(xiàn)上升時(shí)間，可以使用預(yù)期的上升時(shí)間來(lái)確定示波器的帶寬要求。這種關(guān)系假設(shè)電路響應(yīng)類(lèi)似于一個(gè)單極點(diǎn)、低通RC網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

對(duì)一個(gè)施加的電壓階躍信號(hào)的響應(yīng)，其輸出電壓可以使用公式（2）計(jì)算。

(2)

對(duì)一個(gè)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間定義為其輸出幅度從階躍幅度的10％上升到90％所花費(fèi)的時(shí)間。使用公式（2），階躍幅度 10％對(duì)應(yīng)的時(shí)間是0.1 RC，90％則對(duì)應(yīng)2.3 RC。它們之間的差值是2.2 RC。因?yàn)?3 dB帶寬（f）等于1/(2π RC)，并且上升時(shí)間（tr）等于2.2 RC，所以

(3)

因此，對(duì)于單極點(diǎn)探頭響應(yīng)，我們可以使用公式（3）計(jì)算出信號(hào)的等效帶寬，如果已知上升時(shí)間。例如，如果信號(hào)的上升時(shí)間是2 ns，則等效帶寬為175 MHz。

(4)

為了保持3％的誤差，示波器和探頭的帶寬至少應(yīng)該是待測(cè)信號(hào)帶寬的3倍。因此應(yīng)該使用600 MHz 帶寬的示波器來(lái)精確測(cè)量2 ns的上升時(shí)間。

探頭的構(gòu)造

考慮到探頭的簡(jiǎn)單性，它是一個(gè)非常值得注意的裝置。探頭由一個(gè)探討尖端（它包含一個(gè)并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)）、一段屏蔽線、一個(gè) 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)地線夾組成。探頭最重要的要求是在示波器和待測(cè)電路之間提供一個(gè)非侵入式接口 — 盡可能不影響電路，同時(shí)允許示波器能夠幾乎完美地再現(xiàn)待測(cè)信號(hào)。

過(guò)去為了測(cè)量柵級(jí)和板極電壓時(shí)，需要高阻抗以減小信號(hào)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。所以先將探頭放在在真空室?guī)滋?，待開(kāi)始測(cè)量時(shí)再取回。當(dāng)今這個(gè)原理仍然非常重要。高阻抗探頭不會(huì)對(duì)待測(cè)電路增加太大的負(fù)載，因此在測(cè)量節(jié)點(diǎn)上可提供真實(shí)信號(hào)的精確波形。

根據(jù)我的實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)，最常用的探頭是10倍和1倍無(wú)源探頭；10倍有源場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）探頭是次常用的。10倍無(wú) 源探頭將信號(hào)減少到原來(lái)的十分之一。1倍探頭沒(méi)有衰減，可以直接測(cè)量信號(hào)。它具有1MΩ輸入阻抗，而且探頭尖端的電容高達(dá)100 pF。圖3示出是10倍衰減、10 MΩ探頭的典型原理圖。

圖3. 探頭原理圖

Rp(9 MΩ)和Cp位于探頭尖端內(nèi)，R1表示示波器的輸入阻抗，C1表示示波器的輸入電容和探頭補(bǔ)償箱電容的組合值。為了精確地測(cè)量，兩個(gè)RC時(shí)間常量（RpCp和R1C1）必須相等；任何不平衡都會(huì)引入上升時(shí)間誤差和幅度誤差。因此，在測(cè)量前總是要校準(zhǔn)示波器和探頭的工作非常重要。

校準(zhǔn)

在獲得一臺(tái)可以工作的示波器和探頭后應(yīng)該要做的第一項(xiàng)工作是校準(zhǔn)探頭以保證其內(nèi)部RC時(shí)間常量匹配。不要太頻繁校準(zhǔn)，因?yàn)闆](méi)有必要。

圖4示出如何正確地將探頭連接到示波器的探頭補(bǔ)償輸出。使用非磁性調(diào)節(jié)工具調(diào)節(jié)補(bǔ)償箱中的調(diào)節(jié)螺螺絲完成校準(zhǔn)一直觀察到平坦的波形響應(yīng)。

圖4. 校正示波器的探頭

圖5示出了欠補(bǔ)償、過(guò)補(bǔ)償和合理補(bǔ)償三種情況下探頭產(chǎn)生的波形。

請(qǐng)注意欠補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償探討會(huì)引入很大的上升時(shí)間測(cè)量誤差和幅度測(cè)量誤差。有些示波器具有內(nèi)置校正。如果您的示波器具有內(nèi)置校正，請(qǐng)保證在測(cè)量之前進(jìn)行校準(zhǔn)。

(a)	(b)	(c)

圖5. 探頭補(bǔ)償：(a)欠補(bǔ)償；(b)過(guò)補(bǔ)償；(c)合理補(bǔ)償

地線夾和高速測(cè)量

地線夾固有的寄生電感會(huì)使其與實(shí)際高速測(cè)量相互排斥。圖6示出示波器探頭和地線夾的原理示意圖。其中探頭LC組合構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)共振電路——共振電路是示波器的基礎(chǔ)。

圖6. 等效探頭電路

這種附加的電感并不是所期望的特性，因?yàn)榇?lián)LC組合可能會(huì)對(duì)其它干凈的波形的增加很大的過(guò)沖和振蕩。這種過(guò)沖和振蕩通 常不會(huì)引起注意，因?yàn)槭静ㄆ鞯膸捰邢蕖＠?，如果使用一臺(tái)100 MHz帶寬的示波器測(cè)量一個(gè)包含200 MHz振蕩波形的信號(hào)時(shí)，我們看不到振蕩，因?yàn)樾盘?hào)受示波器帶寬限制大幅度衰減。請(qǐng)記住，對(duì)于100 MHz帶寬的示波器，圖1示出在100 MHz處衰減3 dB，每倍頻程會(huì)連續(xù)下降6 dB。因此200 MHz的寄生振蕩會(huì)下降將近9 dB，大約減小到原信號(hào)幅度的35％，從而很難看到。然而，隨著示波器測(cè)量速度的提高和帶寬的增加，地線夾的影響能夠明顯地看到。

使用公式(5)計(jì)算地線夾的串聯(lián)電感可估計(jì)地線夾引入的振蕩頻率。L表示單位為納亨（nH）的電感，l表示以英寸（in）為單位的導(dǎo)線長(zhǎng)度，d表示以英寸（in）為單位的導(dǎo)線直徑。

(5)

然后將公式(5)的結(jié)果帶入公式(6)計(jì)算共振頻率f(Hz)。L表示以亨利（H）為單位的地線夾電感，C表示探測(cè)節(jié)點(diǎn)的總電容（F）—— 探頭電容和任何寄生電容的組合。

(6)

現(xiàn)列舉幾個(gè)使用不同長(zhǎng)度導(dǎo)線的地線夾的實(shí)例。在第一個(gè)實(shí)例中，使用一個(gè)帶6.5 in長(zhǎng)地線夾的11 pF探頭測(cè)量一個(gè)快速上升的脈沖沿。測(cè)量結(jié)果如圖7所示。乍一看脈沖響應(yīng)很干凈，但是仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)幅度很低的100 MHz衰減振蕩。

圖7. 使用6.5 in地線夾的測(cè)量結(jié)果

現(xiàn)在我們用公式(5)和公式(6)表示探頭的物理特性檢查這個(gè)100 Mhz振蕩是是否由接地引腳產(chǎn)生的。地線夾長(zhǎng)度為6.5 in，導(dǎo)線直徑為0.03 in；這會(huì)產(chǎn)生190 nH的電感。將該值帶入公式(6)，并且C＝13 pF（11 pF示波器探頭電容的和2 pF雜散電容）會(huì)產(chǎn)生大約101 MHz的振蕩。這種與觀察到的頻率密切相關(guān)性允許我們斷定6.5 in地線夾是產(chǎn)生低幅度振蕩的原因。

現(xiàn)在考慮一個(gè)更加極端的情況，在這里施加一個(gè)2 ns上升時(shí)間的快速信號(hào)。這通常用于許多高速PC板。圖8a示出使用TD2000系列示波器觀察到的很大的過(guò)沖和延長(zhǎng)振蕩。原因是2 ns的快速上升時(shí)間和175 MHz的等效帶寬具有足夠大的能量激勵(lì)探頭引腳的100 MHz串聯(lián)LC產(chǎn)生振蕩。過(guò)沖和振蕩大約是峰峰值的50％。來(lái)自典型接地的這種影響可以清楚地看到并且在高速測(cè)量中完全不能接受。

取消接地引腳后，可以更加真實(shí)地看到對(duì)施加輸入信號(hào)的響應(yīng)波形（見(jiàn)圖8b）。

為高速測(cè)量準(zhǔn)備探頭

為了獲得有意義的示波器測(cè)量波形，我們需要去掉地線夾電路并且要拆卸探頭。一定要要對(duì)探頭做正確地拆卸！要拆除的第一個(gè) 部件是按壓式探頭尖端適配器。接下來(lái)，旋開(kāi)包在探頭尖端外面的塑料套筒。然后要拆除的是地線夾。圖9示出示波器探頭改進(jìn)前（a）和改進(jìn)后（b）的探頭外 形。圖9（c）示出使用6 in地線夾測(cè)量脈沖發(fā)生器的上升沿；圖（d）示出使用為高速測(cè)量準(zhǔn)備的探頭〔見(jiàn)圖9（b）〕做相同測(cè)量的測(cè)量結(jié)果。如圖8所示，改進(jìn)的測(cè)量結(jié)果非常顯著。

(a)	(b)

圖8. (a)使用6.5 in地線夾測(cè)量2 ns上升時(shí)間的階躍響應(yīng)； (b)沒(méi)有地線夾時(shí)的階躍響應(yīng)。

(a)	(b)
(c)	(d)

圖9. ( a)從箱子里取出未改進(jìn)的探頭；(b)為高速測(cè)量改進(jìn)的探頭；(c)使用未改進(jìn)的探頭的測(cè)量結(jié)果；(d)使用改進(jìn)后探頭的測(cè)量結(jié)果。

(a)

(b)

(c)

圖10. 去掉示波器探頭的接地方法

接下來(lái)，為了校準(zhǔn)需要直接拆卸探頭（見(jiàn)圖4）。一旦完成校準(zhǔn)，探頭就可以準(zhǔn)備使用了。探頭直接靠近某個(gè)測(cè)試點(diǎn)同時(shí)將探頭 的金屬外套連接一個(gè)局部接地。關(guān)鍵是如何在示波器探頭外套上做恰當(dāng)?shù)慕拥剡B接。這樣可消除使用探頭地線夾引入的串聯(lián)電感。圖10a示出使用改進(jìn)探頭的正確 測(cè)量方法。如果探頭直接接地很不方便，可以使用一付金屬鑷子、一把小螺絲刀或甚至一個(gè)改進(jìn)地線連接的紙夾子，如圖10b所示。可以將一段短的裸線在探頭的 金屬外套上繞幾圈（地線環(huán)），如圖10c所示，從而可提高測(cè)量靈活性并且能夠測(cè)量多點(diǎn)（在小范圍內(nèi)）。

如果可行的話，更好的方法是在PCB板上設(shè)計(jì)專(zhuān)用的高頻測(cè)試點(diǎn)（見(jiàn)圖11）。這種探頭尖端適配器可提供上述使用裸探頭尖端的所有優(yōu)點(diǎn)，從而可以迅速準(zhǔn)確地測(cè)量許多測(cè)試點(diǎn)。

圖11. PCB到探頭尖適配器

探頭的電容效應(yīng)

探頭電容會(huì)影響上升時(shí)間和幅度測(cè)量；它也會(huì)影響某些器件的穩(wěn)定性。

探頭電容會(huì)直接增加被測(cè)節(jié)點(diǎn)的電容。附加的電容會(huì)增加該節(jié)點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)，從而使得脈沖的上升沿和下降沿變緩慢。例如，如 果將一個(gè)脈沖發(fā)生器與一個(gè)任意的容性負(fù)載相連，其中CL＝C1，如圖12所示，然后利用公式（7）計(jì)算相關(guān)的上升時(shí)間，其中中Rs（＝R1，見(jiàn)圖12）是 信號(hào)源的阻抗。

(7)

圖12. 由RC負(fù)載決定的上升時(shí)間

如果Rs＝50Ω，CL＝20 pF，則tr＝2.2 ns。

接下來(lái)，我們考慮使用一個(gè)具有10 pF電容、10:1衰減比的探頭測(cè)量相同的電路。新電路如圖13所示。現(xiàn)在總電容是31 pF，新的上升時(shí)間是3.4 ns，上升時(shí)間增加了54％！顯然這無(wú)法讓人接受，但是否有其它的選擇呢？

圖13. 附加的探頭電容

有源探頭是測(cè)量高速電路的另一種好的選擇。有源探頭或FET探頭包含一只有源晶體管（通常是FET管）可以放大信號(hào)，而 無(wú)源探頭只能衰減信號(hào)。有源探頭的優(yōu)點(diǎn)是具有極寬的帶寬、高輸入阻抗和低輸入電容。測(cè)量高速電路的其它方案是使用具有高倍衰減比的示波器探頭。通常，提高 探頭的衰減比會(huì)減小其電容。

探頭尖端的電容不僅會(huì)在測(cè)量上升時(shí)間時(shí)引起誤差，還會(huì)使一些電路產(chǎn)生過(guò)沖和振蕩，或者極端情況下使電路變得不穩(wěn)定。例 如，許多高速運(yùn)算放大器對(duì)其輸出端和反向輸入端的容性負(fù)載的影響很敏感。當(dāng)在高速放大器的輸出端引入附加電容時(shí)（在這種情況下，指示波器探頭18 Analog Dialogue第41卷第1期尖端），放大器的輸出阻抗和附加電容會(huì)在反饋?lái)憫?yīng)中形成一個(gè)附加極點(diǎn)。該極點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生相移并且減小放大器的相位裕量，從而會(huì) 導(dǎo)致不穩(wěn)定性。這種相位裕量的損失會(huì)引起振鈴、過(guò)沖和振蕩。圖14示出使用Tektronix P61131 示波器帶10 pF電容和10:1衰減的探頭，并且采用合適的高速接地測(cè)量高速放大器的輸出。信號(hào)在產(chǎn)生了1300 mV的過(guò)沖并且伴隨12 ns的振蕩。顯然，這個(gè)探頭對(duì)該應(yīng)用不合適。

圖14. 使用10 pF探頭測(cè)量高速放大器的輸出

幸運(yùn)的是有幾種解決方案可以解決這個(gè)問(wèn)題。首先，你可以使用一個(gè)較低電容的探頭。在圖15中，使用Tektronix P6204 1.1 GHz示波器帶1.7 pF電容10:1衰減 FET管有源探頭完成與圖14所示相同的測(cè)量，并且也是使用正確的高速接地。

圖15. 使用1.7 pF 電容FET管有源探頭測(cè)量高速放大器的輸出

在這種情況中，使用較低電容的有源探頭顯著減小了過(guò)沖（600 mV）和振蕩時(shí)間（5 ns）。另外一種方法是加入一個(gè)很小的與示波器探頭串聯(lián)的電阻（通常是25 Ω～50 Ω）。這有助于將探頭電容與放大器的輸出隔離，并且減小振蕩和過(guò)沖。

傳播延遲

測(cè)量傳播延遲的一種簡(jiǎn)單方法是同時(shí)測(cè)量待測(cè)設(shè)備（DUT）的輸入和輸出。傳播延遲很容易從示波器的顯示屏上讀出兩個(gè)波形之間的時(shí)間差。

然而，當(dāng)測(cè)量短傳播延遲（<10 ns）時(shí)，必須注意保證示波器兩個(gè)探頭的長(zhǎng)度相同。由于導(dǎo)線的傳播延遲大約是1.5 ns/in，不同長(zhǎng)度的兩個(gè)探頭會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。例如，使用3英尺（ft）的探頭和6 ft的探頭產(chǎn)生的信號(hào)傳播延遲誤差大約是4.5 ns — 當(dāng)進(jìn)行單位數(shù)或雙位數(shù)納秒（ns）測(cè)量時(shí)該誤差相當(dāng)大。

如果沒(méi)有兩根長(zhǎng)度相等的探頭（經(jīng)常會(huì)遇到這種情況），請(qǐng)按如下操作：將兩根探頭連接到同一信號(hào)源（例如脈沖發(fā)生器）并且記錄傳播延遲差，稱(chēng)為“校準(zhǔn)因子”。然后將從長(zhǎng)探頭的讀數(shù)中減去“校準(zhǔn)因子”，從而可校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果。

結(jié)論

雖然高速測(cè)量并不是太復(fù)雜，但當(dāng)冒險(xiǎn)在實(shí)驗(yàn)室做高速時(shí)域測(cè)量時(shí)必須考慮許多因素。示波器的帶寬、校準(zhǔn)、上升時(shí)間和探頭的選擇以及探頭尖端和地線長(zhǎng)度都對(duì)測(cè)量的質(zhì)量和完整性起重要作用。使用這里介紹的一些方法有助于加速測(cè)量過(guò)程并且改進(jìn)測(cè)量結(jié)果的總體質(zhì)量。