沒有優(yōu)質(zhì)探頭，示波器 ADC 分辨率再高也無意義

人們常有這樣的誤解，以為測量準(zhǔn)確性只取決于儀器的規(guī)格，例如屏幕上顯示的波形數(shù)量。然而，影響實際準(zhǔn)確性的因素要復(fù)雜得多。準(zhǔn)確性與測量設(shè)置密切相關(guān)，取決于測量設(shè)置保持的被測信號完整性。任何測量的有效性最終取決于整個測量過程中信號完整性的保持情況。

為了實現(xiàn)準(zhǔn)確的信號測量，示波器必須通過探頭連接到被測電子電路。探頭發(fā)揮著重要作用，能夠確保到達(dá)示波器的信號無雜質(zhì)、不失真，且盡可能接近電路中流通的原始信號。如果沒有適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)，即使是高分辨率示波器，也會產(chǎn)生誤導(dǎo)性結(jié)果，從而降低示波器在實際測量場景中發(fā)揮的作用。

示波器準(zhǔn)確性：ADC 分辨率不是唯一影響因素

影響示波器信號測量準(zhǔn)確度的不是某一個參數(shù)。最常見的錯誤是，人們將示波器的準(zhǔn)確度與示波器 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的分辨率混為一談。雖然更高的 ADC 分辨率意味著可以用更多的離散級別來表示信號，但高分辨率不能解決現(xiàn)實世界的問題，例如噪聲、失真或饋入 ADC 的信號路徑的質(zhì)量。

為了獲得更高的測量準(zhǔn)確性，通常會使用有效位數(shù) (ENOB)。ENOB 考慮噪聲、失真和其他影響示波器前端測量鏈的缺陷。但測量鏈不是始于示波器連接器，而是探測系統(tǒng)。實現(xiàn)高 ENOB 不僅需要良好的示波器，還要求整個探測系統(tǒng)具有出色的信號調(diào)節(jié)功能。在某些情況下，如果低分辨率示波器配備高質(zhì)量探頭并進(jìn)行適當(dāng)信號調(diào)節(jié)，與具有較高標(biāo)稱 ADC 分辨率但信號調(diào)節(jié)較差的示波器相比，測量結(jié)果更準(zhǔn)確。

實現(xiàn)準(zhǔn)確測量的探頭的基本特性

為了確保到達(dá)示波器的信號盡可能減少衰減，必須考慮兩個關(guān)鍵因素：探頭規(guī)格和使用探頭的工程師的技能。不同類型的探頭具有不同的特性，這些特性對于各種應(yīng)用中的正確信號調(diào)節(jié)非常重要。

例如，人們常常低估無源探頭的重要性。無源探頭用于使信號在到達(dá)示波器之前衰減，從而避免前端超出輸入電壓限值。阻抗為 1 MΩ 的無源探頭非常適合高阻抗電路，因為這類探頭測量信號時的干擾極小。但無源探頭還需要提供極小的電容負(fù)載和寬帶寬，以與示波器的輸入帶寬保持一致。例如，泰克 TPP1000 無源探頭提供 1 GHz 帶寬，小于 4 pF 的電容負(fù)載，有助于保持信號完整性。

圖 1：探頭的額外電容會增加電阻值和電容值，從而增加測量的上升時間。

在高速數(shù)字信號應(yīng)用中，無源探頭并不是理想的選擇，因為會導(dǎo)致電路過載并限制信號帶寬。為此，我們提供帶準(zhǔn)確內(nèi)置放大器的有源探頭，這類探頭也能為電路提供低阻抗負(fù)載并保持信號保真度。在某些情況下，應(yīng)用要求實現(xiàn)最大可能的帶寬和電壓容量，例如寬禁帶技術(shù)支持的快速開關(guān)功率電子組件。

該案例非常清楚地解釋了為什么“示波器 + 探頭”鏈比單純的示波器 ADC 分辨率更重要。事實上，在這些場景中，在嘈雜的環(huán)境中或者在處理淹沒于大共模噪聲中的小差分信號時，主要依賴探頭本身來抑制噪聲和干擾。泰克有源探頭具有低輸入電容和高輸入阻抗，這意味著探頭對被測電路的負(fù)載影響極小。這一點非常重要，有助于保持信號的完整性，并確保測量本身不會改變電路的行為。在某些情況下，需要電流隔離才能在寬帶寬內(nèi)實現(xiàn)共模抑制性能，就像利用寬禁帶新材料實現(xiàn)快速開關(guān)功率電子組件測試一樣。

信號路徑和測量鏈

測量鏈的重要性不只局限于探頭本體。整個信號路徑（包括電纜、適配器和探頭尖端）在保持信號準(zhǔn)確性方面發(fā)揮著非常重要的作用。要防止共模噪聲扭曲信號，有必要使用適當(dāng)?shù)钠帘魏透綦x措施以及避免接地環(huán)路。

每種特定的測量場景都需要一個精心設(shè)計的探測系統(tǒng)，包括針對不同類型的測試點（例如細(xì)間距引線或測試墊片）進(jìn)行優(yōu)化的適當(dāng)探頭尖端和附件。使用合適的探頭尖端可確保信號捕獲質(zhì)量，避免引入額外的電阻、電容或電感，從而防止測量失真。

圖 2：從測試設(shè)備到示波器輸入的完整信號路徑。

圖 3：IsoVu 探頭可抑制共模干擾，真實呈現(xiàn)信號。

結(jié)論：信號調(diào)節(jié)有助于準(zhǔn)確測量

雖然示波器分辨率是影響信號測量的一個重要因素，但并不是唯一的考慮因素。如果信號調(diào)節(jié)不良導(dǎo)致信號在到達(dá)示波器之前受損，即使是高分辨率儀器也會產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果。通過使用高質(zhì)量探頭進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)，可以確保將信號完整性（其幅度、頻率和相位特性）從被測電路如實傳輸?shù)绞静ㄆ鳌＿@可以避免引入噪聲、失真或負(fù)載效應(yīng)，從而實現(xiàn)更可靠、更準(zhǔn)確的測量。