四步检查法轻松搞定示波器测量高速信号

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随着电子技术的高速发展，通信信号频率越来越高，信号质量要求也越来越严。那么要测量这些高速信号要用什么参数的示波器呢？有些人就会说那选一个贵一些高端一些的示波器不就可以了么。其实并不是这样的，如果不注重一些细节问题用再贵的示波器也不见得能够测量的很精准。

下面看看如何更好的利用示波器来测量高速信号：


一、带宽的选择
测量高速信号，首先要考虑测试系统的带宽，这个测试系统的带宽包括探头的带宽和示波器的带宽。要测量500MHz的信号，用一个500MHz带宽的示波器是不是就可以了？一些用户可能对带宽的概念并不是很清晰。认为500MHz带宽的示波器就可以测量500MHz的信号了，其实并不是这样。带宽所指的频率是正弦波信号衰减到-3dB时的频率，而我们一般测量的数字信号都不是正选波，而是接近方波。这两者对带宽的需求是不同的。


根据傅里叶变换可知，方波可以分解为奇次倍数频率的正弦波。比如1MHz的方波，是由1MHz、3MHz、5MHz、7MHz......等正弦波叠加而成。下图为不同滤波器下方波信号的响应。分别为把滤波器设置为方波基频频率、3次谐波频谱、5次谐波频率、7次谐波频率的方波响应。



图1 截至频率为方波频率的滤波情况


图2 截至频率为方波3次谐波频率的滤波情况


图3 截至频率为方波5次谐波频率的滤波情况


图4 截至频率为方波7次谐波频率的滤波情况

可以看出想要得到较为完整的方波信息，最少需要5次谐波分量，而且如果想要获得更加准确的信息，就需要能够测量到更多的谐波分量。

所以选择示波器和探头带宽时至少要选择被测量方波信号的5次谐波频率以上的带宽。


二、探头的选择
示波器是无法直接对信号进行测量的，必须通过一个物理连接将信号传输到示波器内。这种物理连接就是探头。探头对高速信号测量来说至关重要。普通无源探头一般有1:1探头和10：1探头两种。这两种探头除了衰减比例不同外，还会对高速信号产生很大的差异。想要解释这个问题，需要现讨论一下探头的一个关键特性——负载效应。


理想情况下，我们希望我们的测量设备的阻抗无穷大，这样测试设备的接入就不会对被测系统产生任何影响，从而保证测量的真实性。但是遗憾的是测量系统不可能有无穷大的输入阻抗，而这时候，测量设备的接入，会对被测系统产生什么影响呢？假设被测试系统如下图所示。



图5 被测系统等效示意图

可以看出，测量点电压：



而当采用示波器进行测量时，由于示波器的输入电阻和寄生电容，会使得此时的等效电路图如下图所示：



图6 探头接入等效示意图


可以看出，此时测量点电压为：



其中Rin为输入阻抗，Cin为寄生电容，s代表频率。可以看出，此时测试点的电压已经发生了变化，这导致了探头接入前后，信号本身已经发生了改变。通过公式可以看出，Rin越大，对信号影响越小。而1/(Cin×s)这项是寄生电容与测量信号频率的乘积的倒数，当测试信号频率越高，则这项的影响就越大，要想降低该项的影响，只能尽量降低寄生电容Cin的容值。


下图为×1探头的模型：



图7 ×1探头模型图

由于探头一定要有一段线，否则将不方便测量，而且线的长度一般都会超过1米。这导致了其寄生电容非常大，大约为100pF左右。在测量高频信号时会产生了很大的负载效应。我们再来看一下×10的探头模型：



图8 ×10探头模型图

可以看出，×10探头的输入电容Cin是10pF与后面电容的串联，按电容串联公式计算可知，Cin一定是小于10pF的，远小于×1探头的输入电容，且Rin已经增加到10MΩ。所以×10探头就有更小的寄生电容，更高的输入电阻，从而大大减小了探头的负载效应。


所以测量高速信号时，需要选择×10或者更高衰输入阻抗的探头。


三、接地方式的选择
常见的接地方式就是利用示波器的接地夹线，虽然这种接地方式简单便捷但是却并不是一种严谨、准确的接地方式。


图9 接地夹线示意图


由于地夹线比较长，其会形成一个寄生电感Lgnd，随着夹线的增长，这个电感也会增大，而这个回路电感会和示波器探头的输入电容Cin产生谐振。这就导致示波器的幅频特性变得不平坦，导致测量不准确。下图为使用接地夹时的等效电路。




图10 接地夹线等效电路图

下图为用该等效电路仿真出的频谱特性曲线：



图11 频谱特性曲线图

可以看出，在60MHz以上的频率，幅度已经产生了超过3dB的过冲，而到达100M左右时，过冲到最大幅度。所以如果采用地夹，测量超过60MHz的信号就会产生比较大的失真。正确的方式应该是采用接地弹簧。接地弹簧具有非常小的电感，可以大大提升探头的带宽。



图12 接地弹簧示意图


四、测量位置的选择
对于高频信号而言，PCB走线已经不能简单当做短路线来处理，而是需要考虑到线路上的传播延时、信号反射等方面的影响。传统低速信号之所以可以不考虑PCB走线的影响，是因为其波长较长，PCB走线的长度可以忽略不计，从而当成集中元件来处理。但是高频信号的波长较短，PCB走线的长度已经不可能再被忽略，信号也必须从波的角度去考虑。下图为同一信号在源端和终端测量到的波形：
   


图13 不同位置测量差别图


之所以会这样，是因为电信号在PCB上是向波一样进行传输。其传播速度一般是光速的一半。所以会造成信号在PCB上传播会发生延时，且会根据特性阻抗的变化而产生反射。上图中信号的终端设备并没有进行端接，所以当信号来到终端时会产生一个反射的波，反射回源端，再经过PCB上的延时，反射波和发射信号发生叠加，从而产生源端位置的波形。同理，不只是源端，在整个传输线上，发射信号与反射信号都会发生叠加，差别在于彼此的相位差不同，叠加波形也不同。


可以看出测量点位置的选择，会导致测量结果的巨大差异。所以测量高速信号时，测量位置离终端设备越近越好，这样才能真实的测量出终端设备接受到的信号是怎样的波形。


总结：

本文主要介绍了测量高速信号的一些注意事项

1、选择示波器和探头带宽时至少要选择被测量方波信号的5次谐波频率以上的带宽。
2、测量高速信号时，需要选择×10或者更高输入阻抗的探头。
3、接地方式的选择，应该尽可能的降低接地回路电感，如使用接地弹簧。这样才能真正发挥测量系统的带宽。
4、测量高速信号时，测量位置离终端设备越近越好，这样才能真实的测量出终端设备接受到的是怎么样的信号。


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