高速时域测量——实际改进技巧 测量, 技巧, 工程, 行业

yuchengze

做精确高速时域测量可能很困难，但寻找有助于改进测量方法的信息并不艰难。了解示波器和探头的基本原理总是有用的，但还 需要掌握几种额外的本行业技巧和一些有益的传统工程常识以便有助于获得快速准确的结果。下面是我在过去25年中积累的一些技巧和方法。即使将其中一两种方 法应用于您的测量方案，也会有助于改善您的测量结果。 不能简单地搬一台现成的示波器和随便从抽屉里取一根探头用于高速测量。当为高速测量选择合适的示波器和探头时，首先应该考虑：信号幅度、信号源阻抗、上升时间和带宽。
选择示波器和探头
目前有上百种示波器可供选择，从非常简单的便携式示波器到价格达几十万美元的专用台式数字存储示波器（有些高档探头本身 价格就可能达一万美元以上）。与这些示波器相配的各种探头种类也非常多，包括无源、有源、电流测量、光测量、高电压测量和差分信号测量探头。对现有每一种 示波器和探头种类进行全面彻底的描述超出了本文范围，因此我们将集中讨论使用无源探头适合高速电压测量的示波器。这里所讨论的示波器和探头通常用于测量具有宽带和短上升时间特性的信号。除了这些指标外，我们还需要知道电路对负载的灵敏度，包括阻性负载、容性负载和感性负载。例如，当使用大电容探头时，测量 快速上升时间的信号会产生失真；在有些应用中，电路根本不允许探头插入其中（例如，有些高速放大器，当将电容放在其输出端时会产生振荡）。了解电路的极限值和期望值会有助于您选择合适的示波器和探头组合以及使用它们的最佳方法。
首先，信号带宽和上升时间会限制示波器的选择。一般原则是示波器和探头的带宽应该至少是待测信号带宽的三到五倍。
带宽
不管待测信号出现在模拟电路还是数字电路，示波器都需要具有足够的带宽以如实地再现信号。对于模拟信号测量，待测信号的最高频率将决定示波器的带宽。对于数字信号测量，通常是上升时间 — 而不是重复频率 — 决定所需要的示波器带宽。
一般用-3 dB频率表示示波器的带宽，在-3dB处所显示的正弦波的幅度相对最大输入幅度下降到70.7％，即

(1)

保证示波器具有足够带宽以使误差最小至关重要。绝不应该在示波器的-3 dB带宽附近做频率测量，因为这在测量正弦波时会自动引入30％的幅度误差。图1所示是幅度精度随待测信号频率与示波器带宽比变化的典型衰减曲线。

图1. 幅度衰减曲线
例如，300 MHz的示波器在测量300 MHz频率处误差会高达30％。为了将误差保持在3％以下，其能够测量的最大信号带宽大约是0.3×300 MHz或90 MHz。换句话说，为了精确地测量100 MHz信号（<3%误差），您需要至少300 MHz带宽的示波器。图1的衰减曲线说明了关键一点：为了保持幅度误差合理，示波器和探头组合的带宽应该至少为待测信号带宽的3到5倍。为了保证幅度误差 小于1％，示波器的带宽应该至少为信号带宽的5倍。
对于数字电路，上升时间特别重要。为了保证示波器将如实地再现上升时间，可以使用预期的上升时间来确定示波器的带宽要求。这种关系假设电路响应类似于一个单极点、低通RC网络，如图2所示。

对一个施加的电压阶跃信号的响应，其输出电压可以使用公式（2）计算。

(2)

对一个阶跃响应的上升时间定义为其输出幅度从阶跃幅度的10％上升到90％所花费的时间。使用公式（2），阶跃幅度 10％对应的时间是0.1 RC，90％则对应2.3 RC。它们之间的差值是2.2 RC。因为-3 dB带宽（f）等于1/(2π RC)，并且上升时间（tr）等于2.2 RC，所以

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因此，对于单极点探头响应，我们可以使用公式（3）计算出信号的等效带宽，如果已知上升时间。例如，如果信号的上升时间是2 ns，则等效带宽为175 MHz。

(4)

为了保持3％的误差，示波器和探头的带宽至少应该是待测信号带宽的3倍。因此应该使用600 MHz 带宽的示波器来精确测量2 ns的上升时间。
探头的构造
考虑到探头的简单性，它是一个非常值得注意的装置。探头由一个探讨尖端（它包含一个并联的RC网络）、一段屏蔽线、一个 补偿网络和一个地线夹组成。探头最重要的要求是在示波器和待测电路之间提供一个非侵入式接口 — 尽可能不影响电路，同时允许示波器能够几乎完美地再现待测信号。
过去为了测量栅级和板极电压时，需要高阻抗以减小信号节点的负载。所以先将探头放在在真空室几天，待开始测量时再取回。当今这个原理仍然非常重要。高阻抗探头不会对待测电路增加太大的负载，因此在测量节点上可提供真实信号的精确波形。
根据我的实验室经验，最常用的探头是10倍和1倍无源探头；10倍有源场效应晶体管（FET）探头是次常用的。10倍无 源探头将信号减少到原来的十分之一。1倍探头没有衰减，可以直接测量信号。它具有1MΩ输入阻抗，而且探头尖端的电容高达100 pF。图3示出是10倍衰减、10 MΩ探头的典型原理图。

图3. 探头原理图
Rp (9 MΩ)和Cp位于探头尖端内，R1表示示波器的输入阻抗，C1表示示波器的输入电容和探头补偿箱电容的组合值。为了精确地测量，两个RC时间常量（RpCp和R1C1）必须相等；任何不平衡都会引入上升时间误差和幅度误差。因此，在测量前总是要校准示波器和探头的工作非常重要。
校准
在获得一台可以工作的示波器和探头后应该要做的第一项工作是校准探头以保证其内部RC时间常量匹配。不要太频繁校准，因为没有必要。
图4示出如何正确地将探头连接到示波器的探头补偿输出。使用非磁性调节工具调节补偿箱中的调节螺螺丝完成校准一直观察到平坦的波形响应。

图4. 校正示波器的探头
图5示出了欠补偿、过补偿和合理补偿三种情况下探头产生的波形。
请注意欠补偿和过补偿探讨会引入很大的上升时间测量误差和幅度测量误差。有些示波器具有内置校正。如果您的示波器具有内置校正，请保证在测量之前进行校准。

(a)	(b)	(c)

图5. 探头补偿：(a)欠补偿；(b)过补偿；(c)合理补偿
地线夹和高速测量
地线夹固有的寄生电感会使其与实际高速测量相互排斥。图6示出示波器探头和地线夹的原理示意图。其中探头LC组合构成一个串联共振电路——共振电路是示波器的基础。

图6. 等效探头电路