188bet金博宝登录示波器基础知识

信号测量结果只能与所使用的测试和测量工具一样准确。随着当今电子电路的时钟速率和边缘速度的增加，探测成为测量系统的关键部分——与电路直接接触的组件。本文着眼于嵌入式系统和数字设计调试应用中的电压探测注意事项。

将探头连接到电路上会影响电路的工作，示波器只能显示和测量探头传送到示波器输入端的信号。188bet金博宝登录因此，探头对探头电路的影响必须最小，并且对所需的测量保持足够的信号保真度。

如果探头不能保持信号的保真度，如果它以任何方式改变了信号，或者改变了电路的工作方式，示波器看到的是实际信号的失真版本。188bet金博宝登录结果可能是错误的或误导性的测量。从本质上讲，探头是示波器测量链中的第一个环节。188bet金博宝登录测量链的强度取决于探头和示波器。188bet金博宝登录用不适当的探针或糟糕的探测方法削弱第一个环节，整个链条就会被削弱。理想的探测应该提供以下关键属性:

• 连接轻松便捷
• 绝对信号保真度
• 零信号源加载
• 完全抗噪声

与物理测试点的连接应该既容易又方便。对于小型化电路，如高密度表面贴装技术(SMT)，通过为SMT设备设计的超微型探头和各种探头尖端适配器，实现了连接的便利性和便利性。

绝对信号保真度

理想的探头应该以绝对的信号保真度将任何信号从探头尖端传输到示波器输入。188bet金博宝登录换句话说，信号，因为它发生在探头尖端，应该忠实地复制在示波器输入。188bet金博宝登录为了获得绝对保真度，探头电路从尖端到示波器输入必须具有零衰减、无限带宽和所有频率上的线性相位。188bet金博宝登录在现实中，这样理想的要求是不可能实现的。幸运的是，对于当今嵌入式系统设计中的真实信号，不需要无限带宽探头。芯片到芯片的并行接口，流行的串行通信总线，如I2C或SPI，电源开关波形，传感器输出等，通常可以通过高达1GHz的示波器+探头带宽来充分查看。188bet金博宝登录

对PCIe、SATA、HDMI等高速信号的测量则是另一回事，超出了本文的讨论范围。

尽管如此，在给定的操作带宽内，绝对的信号保真度是一个理想的追求。

零信号源加载

测试点背后的电路可以被认为是或被建模为一个信号源。连接到测试点的任何外部设备，如探头，都将作为测试点后面信号源上的额外负载出现，它从电路(信号源)吸取信号电流。这种加载改变了测试点后面电路的运行，从而改变了在测试点看到的信号。

一个理想的探头导致零信号源负载。换句话说，它不会从信号源吸收任何信号电流。这意味着，对于零电流绘制，探针必须具有无限阻抗，本质上呈现一个到测试点的开路。

在实践中，零信号源负载的探头是无法实现的。这是因为探头必须吸取少量的信号电流，以便在示波器输入端产生信号电压。188bet金博宝登录因此，在使用探头时，预期会有一些信号源负载。然而，我们的目标应该始终是通过选择最合适的探针来最小化负载量。

完全抗噪声

紧凑型荧光灯(CFL’s)，风扇电机，开关模式电源(SMPS)和背光显示驱动器是我们环境中许多电子噪声源的例子。这些信号源可以将它们的噪声诱导到附近的电缆和电路上，导致噪声被添加到信号中。由于易受诱导噪声的影响，一根简单的导线并不是示波器探头的理想选择。188bet金博宝登录

理想的示波器探头完全188bet金博宝登录不受任何噪声源的影响。因此，传递到示波器的信号上没有比在测试点上出现的信号上更多的噪声。188bet金博宝登录

在实践中，使用屏蔽可以使探头在大多数常见信号水平下达到高水平的噪声抗扰性。然而，噪声对于某些低电平信号仍然是一个问题。特别是，共模噪声会给差分测量带来问题。

探测器的现实

一些现实情况阻止了实际的探索达到理想。为了理解这会如何影响示波器的测量，我们需要进一步探索探头的实际情况。188bet金博宝登录首先，重要的是要认识到一个探头，即使它只是一根简单的电线，也可能是一个非常复杂的电路。

对于直流信号(频率为0 Hz)，探头表现为一个简单的导体对，带有一些串联电阻和一个端电阻。然而，对于交流信号，随着信号频率的增加，情况发生了巨大的变化。对于交流信号，这种情况会发生变化，因为任何一根导线都有分布电感(L)，任何一对导线都有分布电容(C)。随着信号频率的增加，分布电感对交流信号的反应是对交流电流流动的阻碍越来越大。随着信号频率的增加，分布电容对交流信号的阻抗降低。这些无功元件(L和C)与电阻元件(R)的相互作用，产生了随信号频率变化的总探针阻抗。通过良好的探头设计，探头的R、L和C元件可以控制，以在指定的频率范围内提供所需的信号保真度、衰减和源负载。即使有良好的设计，探测器也会受到其电路性质的限制。在选择和使用探测时，了解这些限制及其影响非常重要。

带宽和上升时间限制

带宽是示波器或探头设计用于的频率范围。188bet金博宝登录例如，100MHz探头或示波器被设计用于在100MHz以内的所188bet金博宝登录有频率上进行测量。在信号频率高于指定带宽时，可能出现不需要的或不可预测的测量结果。

一般来说，为了精确测量振幅，示波器+探头的带宽应该是被测波形频率的5倍。188bet金博宝登录这种“五倍规则”确保了非正弦波(如方波)的高频成分有足够的带宽。

同样，示波器必须有足够的上升时188bet金博宝登录间来测量波形。示波器或探头的上升时间定义为，如果施加理188bet金博宝登录想的瞬时上升脉冲，将测量到的上升时间。为了合理准确地测量脉冲的上升或下降时间，探头和示波器的上升时间加在一起应该比被测脉冲的上升时间快3到5倍。188bet金博宝登录

在没有指定上升时间的情况下，可以从带宽规格中推导出上升时间(Tr)，关系如下:Tr = k/带宽，其中k对于1GHz带宽以下的示波器为0.35，对于1GHz以上的示波器为0.4或更高。188bet金博宝登录

每个示波器都188bet金博宝登录有明确的带宽和上升时间限制。同样，每个探针也有自己的带宽和上升时间限制。而且，当探针连接到示波器上时，你会得到一组新的系统带宽和上升时间规格。188bet金博宝登录

不幸的是，系统带宽与各个示波器和探头带宽之间的关系并不简单。188bet金博宝登录上升时间也是如此。为了解决这个问题，当示波器与特定型号的探头一起使用时，高质量示波器的制造商会指定带宽或探188bet金博宝登录头尖端的上升时间。这一点很重要，因为示波器和探头一起组成了一个测量系统，系统的188bet金博宝登录带宽和上升时间决定了它的测量能力。如果你使用的探针不在示波器推荐的探针列表中，你就会面临测量结果不可预测的风险188bet金博宝登录。

常用电压探头类型:

被动探测是最常见的，通用探头类型。无源电压探头设计耐用且具有成本效益，可提供约500MHz的带宽，宽动态范围和大输入电阻，并与10 - 15pF容性负载并行。

最新的高带宽无源电压探头提供高达1 GHz的带宽，电容负载小于4pF。极低的容性负载减少了对电路的不利影响，并且对较长的接地引线更宽容。而且，由于探头的宽带，您可以看到信号中的高频成分，这对高速应用至关重要。

有源单端(FET)探头提供宽的信号采集带宽，并确保在测试负载下减少设备。当您的应用涉及需要最小负载的高阻抗、高频电路元件时，有源探头是最佳选择。直流偏置能力允许您在测量存在直流偏置电压的交流信号时使用探头的全动态范围。

微分探针使示波器使用单个通道显188bet金博宝登录示互补(差分)信号对。虽然可以使用一对匹配的单端探针进行差分测量，但真正的差分探针通常具有更高的性能，提供高CMRR，宽频率范围和最小的输入之间的时间倾斜。

高压探头用于安全准确地从“升高”或“浮动”电压系统捕获实时信号信息高压单端探头使用户能够进行地面参考的高压测量，而高压差分探头测量的信号是相互参考的，而不是地面。

选择正确的探针

由于示波器测量应用和需求的广泛，市场上的示波器探头也有广泛188bet金博宝登录的选择。这可能会使探针选择成为一个令人困惑的过程。

为了缩小选择过程，请始终遵循示波器制造商对探头的建议。188bet金博宝登录这一点很重要，因为不同的示波器是为不同的带宽、上升时间、灵敏度和输入阻抗188bet金博宝登录考虑而设计的。为了充分利用示波器的测量功能，需要一个与示波器的设计考虑相188bet金博宝登录匹配的探头。

此外，探头的选择过程应考虑您的测量需求。你想衡量什么?电压?当前?射频功率?光信号?

通过选择适合您的信号类型的探头，您可以更快地获得直接测量结果。此外，还要考虑所测量信号的振幅。它们是否在示波器的动态范围内?188bet金博宝登录如果不是，你需要选择一个探头，可以调整动态范围。一般来说，这将通过10倍或更高的探头衰减。

确保探头尖端的带宽或上升时间超过计划测量的信号频率或上升时间。始终记住，非正弦信号具有重要的频率分量或谐波，远远超出信号的基频。例如，要完全包含100 MHz方波的五次谐波，在探头尖端需要一个带宽为500 MHz的测量系统。同样，示波器系统的上升时间应该比188bet金博宝登录你计划测量的信号上升时间快3到5倍。

并始终考虑到探头可能加载的信号。寻找高电阻、低电容的探头。具有10pf或更小电容的10 MΩ探头对于许多应用来说已经足够好了，但对于高速数字电路，您可能需要移动到有源探头提供的低尖端电容。

作者:特雷弗·j·史密斯，泰克技术营销经理

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