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標題: 四步檢查法輕松搞定示波器測量高速信號 [打印本頁]

作者: 安泰測試維修 時間: 2018-12-18 18:10
標題: 四步檢查法輕松搞定示波器測量高速信號
公眾號：安泰測試

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，通信信號頻率越來越高，信號質(zhì)量要求也越來越嚴。那么要測量這些高速信號要用什么參數(shù)的示波器呢？有些人就會說那選一個貴一些高端一些的示波器不就可以了么。其實并不是這樣的，如果不注重一些細節(jié)問題用再貴的示波器也不見得能夠測量的很精準。

下面看看如何更好的利用示波器來測量高速信號：

一、帶寬的選擇
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500MHz的信號，用一個500MHz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。認為500MHz帶寬的示波器就可以測量500MHz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。

二、探頭的選擇
示波器是無法直接對信號進行測量的，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：

而當采用示波器進行測量時，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：

其中Rin為輸入阻抗，Cin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，Rin越大，對信號影響越小。而1/(Cin×s)這項是寄生電容與測量信號頻率的乘積的倒數(shù)，當測試信號頻率越高，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Cin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Cin是10pF與后面電容的串聯(lián)，按電容串聯(lián)公式計算可知，Cin一定是小于10pF的，遠小于×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。

三、接地方式的選擇
常見的接地方式就是利用示波器的接地夾線，雖然這種接地方式簡單便捷但是卻并不是一種嚴謹、準確的接地方式。

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Lgnd，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Cin產(chǎn)生諧振。這就導致示波器的幅頻特性變得不平坦，導致測量不準確。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

四、測量位置的選擇
對于高頻信號而言，PCB走線已經(jīng)不能簡單當做短路線來處理，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)備并沒有進行端接，所以當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。

總結(jié)：

本文主要介紹了測量高速信號的一些注意事項

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。

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