四步檢查法輕松搞定示波器測量高速信號

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隨著電子技術的高速發展，通信信號頻率越來越高，信號質量要求也越來越嚴。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的帶寬，這個測試系統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。


根據傅里葉變換可知，方波可以分解為奇次倍數頻率的正弦波。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。分別為把濾波器設置為方波基頻頻率、3次諧波頻譜、5次諧波頻率、7次諧波頻率的方波響應。



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到示波器內。這種物理連接就是探頭。探頭對高速信號測量來說至關重要。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，還會對高速信號產生很大的差異。想要解釋這個問題，需要現討論一下探頭的一個關鍵特性——負載效應。


理想情況下，我們希望我們的測量設備的阻抗無窮大，這樣測試設備的接入就不會對被測系統產生任何影響，從而保證測量的真實性。但是遺憾的是測量系統不可能有無窮大的輸入阻抗，而這時候，測量設備的接入，會對被測系統產生什么影響呢？假設被測試系統如下圖所示。



圖5 被測系統等效示意圖

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發生了變化，這導致了探頭接入前后，信號本身已經發生了改變。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，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生了很大的負載效應。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，按電容串聯公式計算可知，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。


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，幅度已經產生了超過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的信號就會產生比較大的失真。正確的方式應該是采用接地彈簧。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上傳播會發生延時，且會根據特性阻抗的變化而產生反射。上圖中信號的終端設備并沒有進行端接，所以當信號來到終端時會產生一個反射的波，反射回源端，再經過PCB上的延時，反射波和發射信號發生疊加，從而產生源端位置的波形。同理，不只是源端，在整個傳輸線上，發射信號與反射信號都會發生疊加，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，會導致測量結果的巨大差異。所以測量高速信號時，測量位置離終端設備越近越好，這樣才能真實的測量出終端設備接受到的信號是怎樣的波形。


總結：

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。這樣才能真正發揮測量系統的帶寬。
4、測量高速信號時，測量位置離終端設備越近越好，這樣才能真實的測量出終端設備接受到的是怎么樣的信號。


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