示波器探头正确使用-最小化测量误差技巧

电子产品设计中，在使用最普遍的测量仪器示波器时，示波器与信号正确之间连接的重要性往往被低估。不用怀疑像USB3.0高达5GBit/s高数据速率的信号测试时，需要特殊的探头和连接方法。但是，大多数设计工程师会遇到中频的信号频率。当处理器的时钟频率在约30MHz时，为什么就要担心信号完整性问题、连接探头的方法、或是否需要特殊的有源探头呢？

仅仅只是看时钟速率，好的350M带宽无源探头就已足够。在探头连接信号时，在电路上加载，并影响信号。这是一种事实：在示波器上看到的信号从来都不会与电路上实际信号完全相同。因此，测试时，核心目的是尽量减少探头在电路上的任何影响，尽可能真实地显示原始信号。为了达到这个目标，必须考虑通过接地连接、感性和容性负载施加在电路上的所有影响。

绝大多数信号失真是因为非最佳的接地连接。基本规则如下：尽量用最短的接地连接！但是，实际这种总体背景和常引用规则是什么呢？

探头由一个输入电容和电感的谐振电路组成。无源探头输入电容用指标为10pF～13pF，并且很难改变。电感主要由接地连接来决定，即接地连接越短，电感就越小。降低电感将提高频率响应，将移到一个范围，远远超过感兴趣的频率范围。

这里显示的示例：在FPGA输出端，使用一个真正的信号。在下图显示内容为：上部为整个信号、下部为斜坡极其放大的部分信号。该信号重复频率是2.23KHz，瞧！一个不希望的对信号的影响出现了。由于信号是一个现代FPGA输出，多亏了使用了高带宽和存储深度的示波器，可以测量斜坡，其上升时间为3.2 ns。见图1

图1：一个典型快速上升时间信号

图2显示了信号的带宽与它的上升时间和允许通过测量上升时间确定的带宽。曲线表达了以下公式：带宽=0.35/上升时间。这是信号频率和上升时间转换最有效的公式。

图2: 信号带宽与上升时间

在该例子中，明显信号带宽为120MHz。如果通过有源探头测量该信号，并且改变接地连接，将会出现不同的结果。为了进行比较，下图显示了各种不同接地的测量结果。

图3：各种不同接地的信号显示

图中最上面的波形为探头没有任何接地（即被测物和示波器仅通过底架相连）；从上往下第二个曲线为同样信号使用20cm长的接地线后的波形；依次第三个曲线为同样信号使用10cm长的接地线后的波形；最下面的一个；从上往下第二个曲线为同样信号使用2cm长的接地线后的波形。很明显，接地线越短，产生的振荡就越小，就更能显示更符合实际信号的波形。

除了接地连接外，我们也应考虑探头带宽和电路上容性加载的影响。例如：如果测试电路中为低电流CMOS技术，无源探头的电容性负载必须用特殊的措施来观察。这样一个13pF的电容将是一个相当大的负荷，该技术驱动能力采用相对较小的输出，它会随着着信号的增加，延迟上升和下降的时间。如果无源探头的电容影响太大，建议使用有源探头。图4显示了3个曲线：白色参考曲线使用了一根0.9pF输入电容的有源探头，并且尽可能短的接地连接。在通道1上的黄色曲线，使用了相同的有源探头，但是在测量点上使用了一根无源探头，无源探头测量的波形在通道2上显示（蓝色曲线）。

图4：不同探头在信号上的影响

白色曲线最好地真实显示了信号，具有最短的上升时间；白色和黄色曲线间的差异，很明显地显示了无源探头对信号的影响：上升时间从1.84ns到2.64ns发生了改变，接近43%；这是相当大的，在一些电路，这可能会导致故障。现在看蓝色曲线，这个影响相当明显：不仅影响电路里的信号，而且示波器上的显示不能真实反映实际波形。

总之，探头的影响可由下列规则确定：有源探头在测试点上的测试结果最接近真实信号（较低信号恶化）。有源探头hold得住更真实的和更快的信号，并且紧跟采用容性负载更敏感的半导体技术。

从以上分析中可以看出，无源探头会带来各种各样的问题，这是许多用户都不希望的结果。最短的接地一定产生一个良好的测量结果。普科科技PRBTEK建议工程师们配套特别的接地弹簧（见图5），尽可能进行短接地连接。技术进步也表明：今天，即使标准电路其运行的上升时间已到1ns～2 ns，如果使用无源探头，对这些的信号将非常强烈，因此，需要使用‹1pF输入电容、超过示波器带宽的有源探头。

图5：示波器探头接地弹簧测试