測試測量關(guān)鍵基礎之示波器（一）

　　圖3，放大器的典型電路

　　圖4，放大器的等效電路模型

　　圖5，放大器的理想波特圖

　　至此，我們知道帶寬f2即輸出電壓降低到輸入電壓70.7%時的頻率點。 根據(jù)放大器的等效模型，我們可進一步推導示波器的上升時間和帶寬的關(guān)系式，即我們常提到的0.35的關(guān)系：上升時間=0.35/帶寬，推導過程如下圖6所示。 需要說明的是，0.35是基于高斯響應的理論值，實際測量系統(tǒng)中這個數(shù)值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會標明“上升時間”指標。 示波器測量出來的上升時間與真實的上升時間之間存在下面的關(guān)系式。 在對快沿信號測試中，需要通過該關(guān)系式來修正實際被測信號的上升時間。

　　Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2

　　圖6，示波器上升時間和帶寬的關(guān)系

　　示波器前端放大器幅頻特性的波特圖是新示波器發(fā)布的“出生證”。 示波器每年需要進行校準，波特圖是第一需要校準的數(shù)據(jù)。示波器波特圖的測量方法如圖7所示。 信號源從10MHz頻率開始逐漸遞增發(fā)送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器將輸入的信號能量等分為二后通過等長的線纜分別送到示波器和功率計。 功分器和線纜是無源器件，可以嚴格定標，信號源本身的幅頻特性不可以作為定標儀器，需要通過功率計實測的能量來作為示波器的輸入幅值的定標值。 有時候客戶會對示波器的波特圖很感興趣，直接用信號源連接到示波器來評估示波器的波特圖，在帶寬超過1GHz時這種方法是很不嚴謹?shù)?。需要用功率計來作為定標工?

五、示波器探頭原理及種類詳解

　　任何使用過示波器的人都會接觸過探頭，通常我們說的示波器是用來測電壓信號的（也有測光或電流的，都是先通過相應的傳感器轉(zhuǎn)成電壓量測量），探頭的主要作用是把被測的電壓信號從測量點引到示波器進行測量。

　　大部分人會比較關(guān)注示波器本身的使用，卻忽略了探頭的選擇。實際上探頭是介于被測信號和示波器之間的中間環(huán)節(jié)，如果信號在探頭處就已經(jīng)失真了，那么示波器做的再好也沒有用。實際上探頭的設計要比示波器難得多，因為示波器內(nèi)部可以做很好的屏蔽，也不需要頻繁拆卸，而探頭除了要滿足探測的方便性的要求以外，還要保證至少和示波器一樣的帶寬，難度要大得多。因此最早高帶寬的實時示波器剛出現(xiàn)時是沒有相應的探頭的，又過了一段時間探頭才出來。

　　要選擇合適的探頭，首要的一點是要了解探頭對測試的影響，這其中包括2部分的含義：1/探頭對被測電路的影響；2/探頭造成的信號失真。理想的探頭應該是對被測電路沒有任何影響，同時對信號沒有任何失真的。遺憾的是，沒有真正的探頭能同時滿足這兩個條件，通常都需要在這兩個參數(shù)間做一些折衷。

　　為了考量探頭對測量的影響，我們通常可以把探頭模型簡單等效為一個R、L、C的模型，把這個模型和我們的被測電路放在一起分析。

　　首先，探頭本身有輸入電阻。和萬用表測電壓的原理一樣，為了盡可能減少對被測電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。但由于Rprobe不可能做到無窮大，所以就會和被測電路產(chǎn)生分壓，實際測到的電壓可能不是探頭點上之前的真實電壓，這在一些電源或放大器電路的測試中會經(jīng)常遇到。為了避免探頭電阻負載造成的影響，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探頭的輸入阻抗在幾十k歐姆到幾十兆歐姆間。

　　其次，探頭本身有輸入電容。這個電容不是刻意做進去的，而是探頭的寄生電容。這個寄生電容也是影響探頭帶寬的最重要因素，因為這個電容會衰減高頻成分，把信號的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下Cprobe應該為0，但是實際做不到。一般無源探頭的輸入電容在10pf至幾百pf間，帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pf至幾pf間。

　　再其次，探頭輸入端還會受到電感的影響。探頭的輸入電阻和電容都比較好理解，探頭輸入端的電感卻經(jīng)常被忽視，尤其是在高頻測量的時候。電感來自于哪里呢？我們知道有導線就會有電感，探頭和被測電路間一定會有一段導線連接，同時信號的回流還要經(jīng)過探頭的地線。通常1mm探頭的地線會有大約1nH的電感，信號和地線越長，電感值越大。探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，當電感值太大時，在輸入信號的激勵下就有可能產(chǎn)生高頻諧振，造成信號的失真。所以高頻測試時需要嚴格控制信號和地線的長度，否則很容易產(chǎn)生振鈴。

　　在了解探頭的結(jié)構(gòu)之前，需要先了解一下示波器輸入接口的結(jié)構(gòu)，因為這里是連接探頭的地方，示波器的輸入接口電路和探頭共同組成了我們的探測系統(tǒng)。

　　大部分的示波器輸入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式。示波器的輸入端有1M歐姆或50歐姆的匹配電阻。示波器的探頭種類很多，但是示波器的的匹配永遠只有1M歐姆或50歐姆兩種選擇，不同種類的探頭需要不同的匹配電阻形式。

　　從電壓測量的角度來說，為了對被測電路影響小，示波器可以采用1M歐姆的高輸入阻抗，但是由于高阻抗電路的帶寬很容易受到寄生電容的影響。所以1M歐姆的輸入阻抗廣泛應用與500M帶寬以下的測量。對于更高頻率的測量，通常采用50歐姆的傳輸線，所以示波器的50歐姆匹配主要用于高頻測量。

　　傳統(tǒng)上來說，市面上100MHz帶寬以下的示波器大部分只有1M歐姆輸入，因為不會用于高頻測量；100MHz～1GHz帶寬的示波器大部分有1M歐姆和50歐姆的切換選擇，同時兼顧高低頻測量；2GHz或更高帶寬的示波器由于主要用于高頻測量，所以大部分只有50歐姆輸入。不過隨著市場的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1M歐姆和50歐姆的輸入切換。

　　廣義的意義上說，測試電纜也屬于一種探頭，比如BNC或SMA電纜，而且這種探頭既便宜性能又高。但是使用測試電纜連接時需要在被測電路上也有BNC或SMA的接口，所以應用場合有限，主要用于射頻和微波信號測試。對于數(shù)字或通用信號的測試，還是需要專門的探頭。

　　示波器的探頭按是否需要供電可以分為無源探頭和有源探頭，按測量的信號類型可以分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。所謂的無源探頭，是指整個探頭都由無源器件構(gòu)成，包括電阻、電容、電纜等；而有源探頭內(nèi)部一般有放大 器，放大器是需要供電的，所以叫有源探頭。
無源探頭根據(jù)輸入阻抗的大小又分為高阻無源探頭和低阻無源探頭兩種。

　　高阻無源探頭即我們通常所說的無源探頭，應用最為廣泛，基本上每個使用過示波器的人都接觸過這種探頭。高阻無源探頭和示波器相連時，要求示波器端的輸入阻抗是1M歐姆。以下是一個10：1 高阻無源探頭的原理框圖。

　　為了方便測量，探頭通常都會有1米左右的長度，如果不加匹配電路，很難想象探頭能夠提供數(shù)百兆Hz的帶寬的。示波器的輸入寄生電容也會影響帶寬。為了改善探頭的高頻相應，探頭前端會有相應的匹配電路，最典型的就是一個Rprobe和Cprobe的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。探頭要在帶內(nèi)產(chǎn)生平坦增益的一個條件是要滿足Rprobe*Cprobe=Rscope*Cscope，具體推導就不做了，感興趣的可以自己推一下。我們前面介紹過，Cscope是示波器的寄生電容，所以其只能控制在一定范圍內(nèi)，但不能精確控制，也就是說不同示波器或示波器的不同通道間Cscope的值會不太一樣。為了補償不同通道Cscope的變化，在探頭接示波器的一端處一般至少會有一個可調(diào)電容Ccomp。