測(cè)試測(cè)量關(guān)鍵基礎(chǔ)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(shí)的頻率點(diǎn)。 根據(jù)放大器的等效模型，我們可進(jìn)一步推導(dǎo)示波器的上升時(shí)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(shí)間=0.35/帶寬，推導(dǎo)過程如下圖6所示。 需要說明的是，0.35是基于高斯響應(yīng)的理論值，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中這個(gè)數(shù)值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會(huì)標(biāo)明“上升時(shí)間”指標(biāo)。 示波器測(cè)量出來的上升時(shí)間與真實(shí)的上升時(shí)間之間存在下面的關(guān)系式。 在對(duì)快沿信號(hào)測(cè)試中，需要通過該關(guān)系式來修正實(shí)際被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間。

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

　　圖6，示波器上升時(shí)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(jìn)行校準(zhǔn)，波特圖是第一需要校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。示波器波特圖的測(cè)量方法如圖7所示。 信號(hào)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(hào)能量等分為二后通過等長(zhǎng)的線纜分別送到示波器和功率計(jì)。 功分器和線纜是無源器件，可以嚴(yán)格定標(biāo)，信號(hào)源本身的幅頻特性不可以作為定標(biāo)儀器，需要通過功率計(jì)實(shí)測(cè)的能量來作為示波器的輸入幅值的定標(biāo)值。 有時(shí)候客戶會(huì)對(duì)示波器的波特圖很感興趣，直接用信號(hào)源連接到示波器來評(píng)估示波器的波特圖，在帶寬超過1GHz時(shí)這種方法是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｐ枰霉β视?jì)來作為定標(biāo)工具!

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(huì)接觸過探頭，通常我們說的示波器是用來測(cè)電壓信號(hào)的（也有測(cè)光或電流的，都是先通過相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)成電壓量測(cè)量），探頭的主要作用是把被測(cè)的電壓信號(hào)從測(cè)量點(diǎn)引到示波器進(jìn)行測(cè)量。

　　大部分人會(huì)比較關(guān)注示波器本身的使用，卻忽略了探頭的選擇。實(shí)際上探頭是介于被測(cè)信號(hào)和示波器之間的中間環(huán)節(jié)，如果信號(hào)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(shí)際上探頭的設(shè)計(jì)要比示波器難得多，因?yàn)槭静ㄆ鲀?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(cè)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(shí)時(shí)示波器剛出現(xiàn)時(shí)是沒有相應(yīng)的探頭的，又過了一段時(shí)間探頭才出來。

　　要選擇合適的探頭，首要的一點(diǎn)是要了解探頭對(duì)測(cè)試的影響，這其中包括2部分的含義：1/探頭對(duì)被測(cè)電路的影響；2/探頭造成的信號(hào)失真。理想的探頭應(yīng)該是對(duì)被測(cè)電路沒有任何影響，同時(shí)對(duì)信號(hào)沒有任何失真的。遺憾的是，沒有真正的探頭能同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，通常都需要在這兩個(gè)參數(shù)間做一些折衷。

　　為了考量探頭對(duì)測(cè)量的影響，我們通常可以把探頭模型簡(jiǎn)單等效為一個(gè)R、L、C的模型，把這個(gè)模型和我們的被測(cè)電路放在一起分析。

　　首先，探頭本身有輸入電阻。和萬用表測(cè)電壓的原理一樣，為了盡可能減少對(duì)被測(cè)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(huì)和被測(cè)電路產(chǎn)生分壓，實(shí)際測(cè)到的電壓可能不是探頭點(diǎn)上之前的真實(shí)電壓，這在一些電源或放大器電路的測(cè)試中會(huì)經(jīng)常遇到。為了避免探頭電阻負(fù)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(gè)電容不是刻意做進(jìn)去的，而是探頭的寄生電容。這個(gè)寄生電容也是影響探頭帶寬的最重要因素，因?yàn)檫@個(gè)電容會(huì)衰減高頻成分，把信號(hào)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(yīng)該為0，但是實(shí)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(huì)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(cè)量的時(shí)候。電感來自于哪里呢？我們知道有導(dǎo)線就會(huì)有電感，探頭和被測(cè)電路間一定會(huì)有一段導(dǎo)線連接，同時(shí)信號(hào)的回流還要經(jīng)過探頭的地線。通常1mm探頭的地線會(huì)有大約1nH的電感，信號(hào)和地線越長(zhǎng)，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(dāng)電感值太大時(shí)，在輸入信號(hào)的激勵(lì)下就有可能產(chǎn)生高頻諧振，造成信號(hào)的失真。所以高頻測(cè)試時(shí)需要嚴(yán)格控制信號(hào)和地線的長(zhǎng)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?yàn)檫@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(cè)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(yuǎn)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(cè)量的角度來說，為了對(duì)被測(cè)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(yīng)用與500M帶寬以下的測(cè)量。對(duì)于更高頻率的測(cè)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(cè)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?yàn)椴粫?huì)用于高頻測(cè)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(shí)兼顧高低頻測(cè)量；2GHz或更高帶寬的示波器由于主要用于高頻測(cè)量，所以大部分只有50歐姆輸入。不過隨著市場(chǎng)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(cè)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(cè)試電纜連接時(shí)需要在被測(cè)電路上也有BNC或SMA的接口，所以應(yīng)用場(chǎng)合有限，主要用于射頻和微波信號(hào)測(cè)試。對(duì)于數(shù)字或通用信號(hào)的測(cè)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(cè)量的信號(hào)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(gè)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(yīng)用最為廣泛，基本上每個(gè)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(shí)，要求示波器端的輸入阻抗是1M歐姆。以下是一個(gè)10：1 高阻無源探頭的原理框圖。

　　為了方便測(cè)量，探頭通常都會(huì)有1米左右的長(zhǎng)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(huì)影響帶寬。為了改善探頭的高頻相應(yīng)，探頭前端會(huì)有相應(yīng)的匹配電路，最典型的就是一個(gè)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(gè)條件是要滿足Rprobe*Cprobe=Rscope*Cscope，具體推導(dǎo)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(huì)不太一樣。為了補(bǔ)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(huì)有一個(gè)可調(diào)電容Ccomp。