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隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，通信信號頻率越來越高，信號質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)。測量這些高速信號是不是只要選一個昂貴的示波器就行了呢？其實不然，如果一些細(xì)節(jié)沒有被注意，再貴的示波器也不見得測得準(zhǔn)！
測量高速信號，首先要考慮測試系統(tǒng)的帶寬，這個測試系統(tǒng)的帶寬包括探頭的帶寬和示波器的帶寬。要測量100MHz的信號，用一個100MHz帶寬的示波器是不是就可以了？一些用戶可能對帶寬的概念并不是很清晰。認(rèn)為100MHz帶寬的示波器就可以測量100MHz的信號了，其實并不是這樣。帶寬所指的頻率是正弦波信號衰減到-3dB時的頻率，而我們一般測量的數(shù)字信號都不是正選波，而是接近方波。這兩者對帶寬的需求是不同的。
根據(jù)傅里葉變換可知，方波可以分解為奇次倍數(shù)頻率的正弦波。比如1MHz的方波，是由1MHz、3MHz、5MHz、7MHz.。。.。。等正弦波疊加而成。下圖為不同濾波器下方波信號的響應(yīng)。分別為把濾波器設(shè)置為方波基頻頻率、3次諧波頻譜、5次諧波頻率、7次諧波頻率的方波響應(yīng)。
圖 1 截至頻率為方波頻率的濾波情況
圖 2 截至頻率為方波3次諧波頻率的濾波情況
圖 3 截至頻率為方波5次諧波頻率的濾波情況
圖 4 截至頻率為方波7次諧波頻率的濾波情況
可以看出想要得到較為完整的方波信息，最少需要5次諧波分量，而且如果想要獲得更加準(zhǔn)確的信息，就需要能夠測量到更多的諧波分量。
所以選擇示波器和探頭帶寬時至少要選擇被測量方波信號的5次諧波頻率以上的帶寬。
示波器是無法直接對信號進(jìn)行測量的，必須通過一個物理連接將信號傳輸?shù)绞静ㄆ鲀?nèi)。這種物理連接就是探頭。探頭對高速信號測量來說至關(guān)重要。普通無源探頭一般有1:1探頭和10：1探頭兩種。這兩種探頭除了衰減比例不同外，還會對高速信號產(chǎn)生很大的差異。想要解釋這個問題，需要現(xiàn)討論一下探頭的一個關(guān)鍵特性——負(fù)載效應(yīng)。
理想情況下，我們希望我們的測量設(shè)備的阻抗無窮大，這樣測試設(shè)備的接入就不會對被測系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，從而保證測量的真實性。但是遺憾的是測量系統(tǒng)不可能有無窮大的輸入阻抗，而這時候，測量設(shè)備的接入，會對被測系統(tǒng)產(chǎn)生什么影響呢？假設(shè)被測試系統(tǒng)如下圖所示。
圖 5 被測系統(tǒng)等效示意圖
可以看出，測量點電壓：V_out=V_sig×R_L/（R_L+R_S ）；
而當(dāng)采用示波器進(jìn)行測量時，由于示波器的輸入電阻和寄生電容，會使得此時的等效電路圖如下圖所示：
圖 6 探頭接入等效示意圖
可以看出，此時測量點電壓為：V_out=V_sig×（R_L ||R_in ||（1/（C_in×s）））/（R_L ||R_in ||（1/（C_in×s））+R_s ）；
其中R_in為輸入阻抗，C_in為寄生電容，s代表頻率。可以看出，此時測試點的電壓已經(jīng)發(fā)生了變化，這導(dǎo)致了探頭接入前后，信號本身已經(jīng)發(fā)生了改變。通過公式可以看出，R_in越大，對信號影響越小。而1/（C_in×s）這項是寄生電容與測量信號頻率的乘積的倒數(shù)，當(dāng)測試信號頻率越高，則這項的影響就越大，要想降低該項的影響，只能盡量降低寄生電容C_in的容值。
下圖為×1探頭的模型：
圖 7 ×1探頭模型圖
由于探頭一定要有一段線，否則將不方便測量，而且線的長度一般都會超過1米。這導(dǎo)致了其寄生電容非常大，大約為100pF左右。在測量高頻信號時會產(chǎn)生了很大的負(fù)載效應(yīng)。我們再來看一下×10的探頭模型：
圖 8 ×10探頭模型圖
可以看出，×10探頭的輸入電容C_in是10pF與后面電容的串聯(lián)，按電容串聯(lián)公式計算可知，C_in一定是小于10pF的，遠(yuǎn)小于×1探頭的輸入電容，且Rin已經(jīng)增加到10MΩ。所以×10探頭就有更小的寄生電容，更高的輸入電阻，從而大大減小了探頭的負(fù)載效應(yīng)。
所以測量高速信號時，需要選擇×10或者更高衰輸入阻抗的探頭。
傳統(tǒng)的使用習(xí)慣上，示波器的接地方式就是那根長長的接地夾線。這種接地方式，確實是一種簡單方便的接地方式，但是卻并不是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、?zhǔn)確的接地方式。
圖 9 接地夾線示意圖
由于地夾線比較長，其會形成一個寄生電感L_gnd，隨著夾線的增長，這個電感也會增大，而這個回路電感會和示波器探頭的輸入電容C_in產(chǎn)生諧振。這就導(dǎo)致示波器的幅頻特性變得不平坦，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。下圖為使用接地夾時的等效電路。
圖 10 接地夾線等效電路圖
下圖為用該等效電路仿真出的頻譜特性曲線：
圖 11 頻譜特性曲線圖
可以看出，在60MHz以上的頻率，幅度已經(jīng)產(chǎn)生了超過3dB的過沖，而到達(dá)100M左右時，過沖到最大幅度。所以如果采用地夾，測量超過60MHz的信號就會產(chǎn)生比較大的失真。正確的方式應(yīng)該是采用接地彈簧。接地彈簧具有非常小的電感，可以大大提升探頭的帶寬。
圖 12 接地彈簧示意圖
對于高頻信號而言，PCB走線已經(jīng)不能簡單當(dāng)做短路線來處理，而是需要考慮到線路上的傳播延時、信號反射等方面的影響。傳統(tǒng)低速信號之所以可以不考慮PCB走線的影響，是因為其波長較長，PCB走線的長度可以忽略不計，從而當(dāng)成集中元件來處理。但是高頻信號的波長較短，PCB走線的長度已經(jīng)不可能再被忽略，信號也必須從波的角度去考慮。下圖為同一信號在源端和終端測量到的波形：
圖 13 不同位置測量差別圖
之所以會這樣，是因為電信號在PCB上是向波一樣進(jìn)行傳輸。其傳播速度一般是光速的一半。所以會造成信號在PCB上傳播會發(fā)生延時，且會根據(jù)特性阻抗的變化而產(chǎn)生反射。上圖中信號的終端設(shè)備并沒有進(jìn)行端接，所以當(dāng)信號來到終端時會產(chǎn)生一個反射的波，反射回源端，再經(jīng)過PCB上的延時，反射波和發(fā)射信號發(fā)生疊加，從而產(chǎn)生源端位置的波形。同理，不只是源端，在整個傳輸線上，發(fā)射信號與反射信號都會發(fā)生疊加，差別在于彼此的相位差不同，疊加波形也不同。
可以看出測量點位置的選擇，會導(dǎo)致測量結(jié)果的巨大差異。所以測量高速信號時，測量位置離終端設(shè)備越近越好，這樣才能真實的測量出終端設(shè)備接受到的信號是怎樣的波形。
本文中指出了一些測量高速信號的一些注意事項，歸納如下：
1.選擇示波器和探頭帶寬時至少要選擇被測量方波信號的5次諧波頻率以上的帶寬。
2.測量高速信號時，需要選擇×10或者更高輸入阻抗的探頭。
3.接地方式的選擇，應(yīng)該盡可能的降低接地回路電感，如使用接地彈簧。這樣才能真正發(fā)揮測量系統(tǒng)的帶寬。
4.測量高速信號時，測量位置離終端設(shè)備越近越好，這樣才能真實的測量出終端設(shè)備接受到的是怎么樣的信號。
以上就是本文的主要內(nèi)容。ZDS4054 Plus示波器具有500MHz帶寬，可以真實測量100MHz的方波信號，配合探頭可以實現(xiàn)9pF的輸入電容，大大降低測量負(fù)載效應(yīng)，可以很好的測量大多數(shù)高速信號。
