进行精确的高速时域测量可能具有挑战性，但寻找有助于提高技术的信息却不应该如此。了解示波器和探头的基础知识总是有帮助的，但是一些额外的技巧和一些好的老式常识工程可以用来帮助产生快速和准确的结果。以下是我在过去25年里积累的一些技巧和技巧。在你的测量工具中加入其中的一些可以帮助改善你的结果。

简单地从架子上拿一个瞄准镜，从抽屉里拿一个探头，是无法进行高速测量的。在选择合适的范围和探头进行高速测量时，首先要考虑:信号幅度，源阻抗，上升时间和带宽。

选择示波器和探头

有数百种示波器可供选择，从非常简单的便携式型号到专用的机架式数字存储示波器，这些示波器的价格可能高达数十万美元(仅一些高端探头的价格就可能高达10,000美元)。这些示波器附带的各种探头也相当令人印象深刻，包括无源、有源、电流测量、光学、高压和差分类型。提供每个可用的示波器和探头类别的完整和彻底的描述超出了本文的范围，因此我们将重点介绍利用无源探头进行高速电压测量的示波器。

这里讨论的示波器和探头用于测量带宽宽、上升时间短的信号。除了这些规格外，还需要了解电路对电阻、电容和电感的灵敏度。当使用高电容探头时，快速上升时间可能会失真;在某些应用中，电路可能根本不能容忍探头的存在(例如，一些高速放大器在其输出端放置电容时会发出环)。了解电路的限制和期望将有助于您选择范围和探头的正确组合以及使用它们的最佳技术。

首先，信号带宽和上升时间会限制范围的选择。一般原则是，示波器和探头带宽至少应为被测信号带宽的三到五倍。

带宽

无论被测量的信号是在电路中还是在数字电路中，示波器都需要有足够的带宽来忠实地再现信号。对于测量，被测量的最高频率将决定示波器带宽。对于数字测量，决定所需带宽的通常是上升时间，而不是重复率。示波器的带宽以-3 dB频率为特征，在-3 dB频率处，正弦波的显示幅度下降到输入幅度的70.7%

（1)

重要的是要确保示波器有足够的带宽，以尽量减少误差。测量不应该在接近示波器-3 dB带宽的频率上进行，因为这将在正弦波测量中引入30%的幅度误差。图1是一个方便的图，显示了典型的幅度精度降额与被测最高频率与范围带宽之比。

例如，300兆赫的示波器在300兆赫时会有高达30%的误差。为了使误差保持在3%以下，可以测量的最大信号带宽约为0.3 × 300 MHz，即90 MHz。换句话说，要准确测量100 MHz的信号(<3%的误差)，您至少需要300 MHz的带宽。图1中的图说明了一个关键点:为了保持幅度误差合理，示波器和探头组合的带宽至少应该是被测信号带宽的三到五倍。为了使幅度误差小于1%，示波器带宽至少需要是信号带宽的5倍。

对于数字电路，上升时间是特别有趣的。为了确保示波器忠实地再现上升时间，可以使用预期或预期上升时间来确定示波器的带宽要求。该关系假设电路响应像单极低通RC网络，如图2所示。

作为对施加电压阶跃的响应，输出电压可以用公式2计算。

（2）

响应阶跃的上升时间定义为输出从阶跃幅度的10%到90%所需的时间。根据公式2，脉冲的10%点为0.1 RC, 90%点为2.3 RC。它们之间的差异是2.2 RC。由于-3 dB带宽f等于1/(2πRC)，上升时间t(r)为2.2 RC，

（3)

因此，对于单极探头响应，可以使用公式3来求解信号的等效带宽，知道上升时间。例如，如果信号的上升时间为2ns，则等效带宽为175mhz。

（4）

为了将误差控制在3%以内，示波器加探头的带宽至少要比被测信号快三倍。因此，应使用600 MHz示波器来精确测量2 ns的上升时间。

探针解剖学

考虑到它们的简单性，探针是相当了不起的设备。探头由探头尖端(包含一个平行的RC网)、一段屏蔽线、补偿网和接地夹组成。探头的首要要求是在示波器和电路之间提供一个非侵入性接口——尽可能少地干扰电路，同时允许示波器呈现被测量信号的近乎完美的表示。

探测器的起源要追溯到真空管时代。对于网格和极板的测量，需要高阻抗以最小化信号节点的损耗。这个原则今天仍然很重要。高阻抗探头不会显著地负载电路，因此提供了测量节点真实情况的准确图像。

根据我在实验室的经验，最常用的探针是10x和1x无源探针;10倍有源场效应管探头紧随其后。10x无源探头使信号衰减10倍。它具有10M欧姆的输入阻抗和10pf的典型尖端电容。1x探头，无衰减，直接测量信号。它具有1M欧姆的输入阻抗，尖端电容高达100pf。图3显示了10x, 10M欧姆探头的典型原理图。

R(P) (9M欧姆)和Cp位于探头尖端，R1为示波器输入电阻，C1为示波器输入电容和探头补偿盒内电容的总和。为了精确测量，两个RC时间常数(R(p)C(p)和R(1)C(1))必须相等;不平衡会导致上升时间和幅度的误差。因此，在进行测量之前，始终校准范围和探头是极其重要的。

校准

在获得工作范围和探头后，首先要做的事情之一是校准探头，以确保其内部RC时间常数匹配。这一步经常被跳过，因为它被认为是不必要的。

图4显示了如何正确地将探头连接到示波器的探头补偿输出。校准是通过用非磁性调节工具转动补偿盒上的调节螺钉来完成的，直到达到平坦的响应。

图5显示了补偿不足、过度补偿和适当补偿的探头产生的波形。

请注意，欠补偿或过度补偿探头如何在上升时间和幅度测量中引入显着误差。一些示波器有内置校准。如果您的瞄准镜有一个，请确保在进行测量之前运行它。

接地夹和高速测量

它们固有的寄生电感使地夹和实际的高速测量相互排斥。图6显示了带接地夹的示波器探头的示意图。探头LC组合形成一个串联谐振电路，而谐振电路是振荡器的基础。

这种增加的电感不是理想的特性，因为系列lc组合可能会给原本干净的波形增加明显的超调和振铃。由于示波器的带宽有限，这种振铃和超调通常不会被注意到。例如，如果用100 MHz的示波器测量包含200 MHz振荡的信号，则不会看到振铃，并且由于带宽有限，信号将高度衰减。请记住，对于100 MHz的示波器，图1显示了100 MHz时3 dB的衰减，每个八度程的持续滚降为6 dB。因此，200mhz的寄生铃声将下降近9db，减少到原始幅度的近35%，使其难以看到。然而，在更高速度的测量和更宽的带宽范围内，地夹的影响是明显可见的。

由地夹引入的振铃频率可由式5计算地夹的串联电感近似得到。L为电感，单位为纳亨利，L为导线长度，单位为英寸，d为导线直径，单位为英寸。

（5）

然后将式5的结果代入式6，计算出谐振频率f (Hz)。L是接地夹的电感，单位是亨利，C是被探测节点的总电容(法拉)——探测电容加上任何寄生电容。

(6)

让我们看几个使用不同长度的接地夹的例子。在第一个示例中，使用11pf探头和6.5英寸接地夹来测量快速上升的脉冲边缘。结果如图7所示。脉冲响应乍一看很干净，但仔细检查后，可以看到一个非常低水平的100兆赫兹阻尼振荡。

让我们代入式5和式6中探头的物理特性来检查这100 MHz的振荡是否是由接地引线引起的。接地夹长度为6.5英寸，导线直径为0.03英寸;这就产生了190nh的电感。将这个值代入公式6，再加上C = 13pf (11pf来自示波器探头，2pf来自杂散电容)，得到约101 MHz。这种良好的相关性与观察到的频率允许我们得出结论，6.5英寸地夹是低电平振荡的原因。

现在考虑一个更极端的情况，其中一个更快的信号，与2ns上升时间，应用。这通常在许多高速PC板上发现。使用tds2000系列示波器，图8a显示存在明显的超调和长时间振铃。原因是更快的2 ns上升时间，其带宽相当于175 MHz，有足够的能量来刺激探针引线的100 MHz系列LC环。超调和振铃大约是峰值到峰值的50%。在高速测量中，典型地面的这种影响是清晰可见的，是完全不可接受的。

通过消除接地引线，对施加的输入信号的响应具有更好的保真度(图8b)。

图8。a) 6.5英寸接地夹对步进的响应，上升时间为2ns。b)无接地线的阶跃响应。

为高速测量准备探针

为了获得有意义的范围图，我们需要去除接地夹电路并拆除探头。没错，把那个完美的探针拆开!首先要丢弃的是按下探针头适配器。接下来，拧开环绕探针尖端的塑料套管。

图9。a)开箱即用的探针。b)探头准备进行高速测量。c)未修改探头测量。d)高速探头测量。

接下来是接地夹。图9显示了作用域探针转换前(a)和转换后(b)的情况。图9c显示了脉冲发生器上升沿的测量，使用6英寸接地夹;(d)显示了与配置为高速测量的探头相同的测量结果，如9b所示。结果可能非常引人注目，如图8所示。接下来，需要校准简化的剥离探针(参见图4)。校准后，探针就可以使用了。只需去一个测试点，在探头的外部金属屏蔽上取一个局部地。诀窍是在瞄准镜探头屏蔽处接地线。这消除了使用随附探头接地夹引入的任何串联电感。图10a显示了使用流线型探头的正确探测技术。如果不能方便地接触接地，可使用金属镊子、小螺丝刀甚至回形针将接地接起，如图10b所示。可以将一段母线缠绕在尖端，如图10c所示，以允许更大的灵活性，并允许探测多个点(在小区域内)。

如果可行的话，更好的方法是在电路板上设计专用的高频测试点(图11)。这种探针头适配器提供了使用裸探针头的所有上述优点，提供了快速准确测量多个点的能力。

Probe-Capacitance效果

探头电容影响上升时间和幅度测量;它还会影响某些设备的稳定性。

探测电容直接增加被探测节点的电容。增加的电容增加了节点时间常数，从而减慢了脉冲的上升沿和下降沿。例如，如果将脉冲发生器连接到任意容性负载，其中C(L) = C(1)，如图12所示，则可以从式8计算相关的上升时间，其中R(S)(在图12中= R(1))为源电阻。

(7）

若R(S) = 50欧姆，C(L) = 20 pF，则t(R) = 2.2 ns。

接下来，让我们考虑用10pf, 10x探头探测的相同电路。新电路如图13所示。总电容现在为31 pF，新的上升时间为3.4 ns，上升时间增加了54%以上!显然这是不可接受的，但还有什么其他选择呢?

有源探头是探测高速电路的另一个好选择。有源或场效应管探头包含一个有源晶体管(通常是场效应管)，可以放大信号，而无源探头则会衰减信号。有源探头的优点是具有极宽的带宽、高输入阻抗和低输入电容。另一种选择是使用具有高衰减系数的示波器探头。通常，衰减系数较高的探头具有较小的电容。

探头尖端电容不仅会导致上升时间测量误差;它还可能导致一些电路响铃、超调，或者在极端情况下变得不稳定。例如，许多高速运算放大器在输出端和反相输入端对电容损耗的影响很敏感。

当电容(在本例中为示波器探头尖端)被引入高速放大器的输出端时，放大器的输出电阻和电容在反馈响应中形成一个额外的极。极引入相移并降低放大器的相位裕度，从而导致不稳定。相位裕度的损失会导致振铃、超调和振荡。图14显示了使用Tektronix P61131 10pf, 10x示波器探头探测高速放大器的输出，使用适当的高速接地。信号有1300毫伏的超调和12毫伏的持续振铃。显然，这不是适合这个应用程序的探测。

幸运的是，有一些解决这个问题的方法。首先，使用低电容探头。在图15中，使用Tektronix P6204 1.1 GHz有源10x FET探针，1.7 pF，进行与图14相同的测量，同样采用适当的高速接地。

在这种情况下，有明显较低的超调(600毫伏)和振铃(5毫秒)使用低电容有源探头。

另一种技术是在示波器探头中加入少量串联电阻(通常为25欧姆至50欧姆)。这将有助于从放大器输出隔离电容，并将减少振铃和超调。

传播延迟

测量传输延迟的一种简单方法是同时探测被测设备的输入和输出。传播延迟可以从示波器显示中读取为两个波形之间的时间差。

然而，当测量短传播延迟(10ns)时，必须注意确保两个示波器探头的长度相同。由于导线中的传播延迟约为1.5 ns/ft，因此不同长度的配对探针可能导致相当大的误差。例如，使用3英尺探头和6英尺探头测量信号的传播延迟可能会引入大约4.5纳秒的延迟误差——当进行单纳秒或两位数纳秒的测量时，这是一个显着的误差。

如果没有两个相同长度的探针(通常是这种情况)，请执行以下操作:将两个探针连接到一个公共源(例如，脉冲发生器)并记录传播延迟差。这就是“校准因子”。然后通过从较长的探针长度中减去该数字来纠正测量结果。

结论

虽然高速测试并不过于复杂，但在冒险进入实验室进行高速时域测量时，必须考虑许多因素。带宽、校准、上升时间测量范围和探头选择、探头尖端和接地引线长度都对测量的质量和完整性起着重要作用。采用这里提到的一些技术将有助于加快测量过程并提高结果的整体质量。欲了解更多信息，请访问和www.tek.com。

参考电路

(1)探针入门的基础知识。泰克公司，2005。

(2)密特迈耶、克里斯托夫和安德烈亚斯·施泰因格。用示波器测量上升时间动态误差的确定仪器与测量学报，48-6。1999年12月。

(3)米尔曼、雅各布和赫伯特·陶博。脉冲，数字和开关波形。麦格劳-希尔,1965年。ISBN 07-042386-5。

(4)探头输入电容对测量精度的影响。泰克公司，1996。

致谢

图1、6、7、8、11、12和13由Tektronix, Inc.提供，并获得许可。