示波器探头正确使用-最小化测量误差技巧

在电子产品设计中，示波器与信号正确连接的重要性往往被低估。不用怀疑像USB3.0高达5GBit/s在测试高数据速率信号时，需要特殊的探头和连接方法。然而，大多数设计工程师会遇到中频信号频率。处理器的时钟频率约为30MHz为什么要担心信号完整性、连接探头的方法，或者需要特殊的有源探头？

只看时钟速率，好的350M带宽无源探头就足够了。当探头连接信号时，在电路上加载并影响信号。在示波器上看到的信号永远不会与电路上的实际信号完全相同。因此，测试的核心目的是尽量减少探头在电路上的任何影响，并尽可能真实地显示原始信号。为了实现这一目标，必须考虑通过接地连接、感性和容性负载对电路的所有影响。

绝大多数信号失真是因为非最佳接地连接。基本规则如下:尽量用最短的接地连接！但是，实际的总体背景和常用规则是什么？

探头由输入电容和电感的谐振电路组成。无源探头输入电容指标为10pF～13pF，而且很难改变。电感主要由接地连接决定，即接地连接越短，电感越小。降低电感将提高频率响应，并将其移动到一个范围，远远超过感兴趣的频率范围。

示例显示在这里：在FPGA使用真实信号的输出端。如下图所示：上部为整个信号，下部为斜坡极度放大的部分信号。重复信号的频率为2.23KHz，瞧！不希望对信号的影响出现了。因为信号是现代的FPGA由于使用了高带宽和存储深度的示波器，可以测量斜坡，上升时间为3.2 ns。见图1

图1:典型的快速上升时间信号

图2显示了信号带宽及其上升时间以及通过测量上升时间可以确定的带宽。曲线表示以下公式：带宽=0.35/上升时间。这是信号频率和上升时间转换最有效的公式。

图2: 信号带宽和上升时间

在这个例子中，信号带宽明显为120MHz。如果信号通过有源探头测量并改变接地连接，则会产生不同的结果。下图显示了不同接地的测量结果。

图3：显示各种接地信号

图中最上面的波形是探头没有接地(即被测对象和示波器只通过底架连接)；从上到下的第二条曲线是使用相同信号的20cm长接地线后的波形；第三条曲线使用相同的信号cm长接地线后的波形；下面一个；从上到下的第二条曲线使用相同的信号cm波形后的长接地线。显然，接地线越短，振荡越小，波形越符合实际信号。

除接地连接外，还应考虑探头带宽和电路上容性加载的影响。例如，如果测试电路是低电流CMOS必须采取特殊措施观察无源探头的电容负载。这样一个13pF随着信号的增加，电容将是一个相当大的负载，该技术的驱动能力采用相对较小的输出，延迟上升和下降时间。若无源探头电容影响过大，建议使用有源探头。图4显示了三条曲线：白色参考曲线使用0.9pF有源探头输入电容，接地连接尽可能短。通道1上的黄色曲线使用相同的有源探头，但在测量点上使用无源探头。无源探头测量的波形显示在通道2上（蓝色曲线）。

图4：信号上不同探头的影响

白色曲线最好真实地显示信号，上升时间最短；白色和黄色曲线之间的差异显示了无源探头对信号的影响：上升时间为1.84ns到2.64ns发生了变化，接近43%；在某些电路中，这是相当大的，可能会导致故障。现在看蓝色曲线，影响很明显:不仅影响电路中的信号，而且示波器上的显示也不能真正反映实际波形。

总之，探头的影响可以根据以下规则来确定：测试点上有源探头的测试结果最接近真实信号（低信号恶化）。有源探头hold获得更真实、更快的信号，并采用更敏感的容性负载半导体技术。

从以上分析可以看出，无源探头会带来各种问题，这是很多用户不希望的结果。最短接地必须产生良好的测量结果。普科科技PRBTEK建议工程师配备专用接地弹簧(见图5)，尽可能短接地。技术进步也表明：今天，即使标准电路其运行的上升时间已到1ns～2 ns，如果使用无源探头，这些信号将非常强烈，因此需要使用1pF超过示波器带宽的输入电容和有源探头。

图5：示波器探头接地弹簧试验

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