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示波器测量高速信号时的注意事项

示波器测量高速信号时的注意事项

随着电子技术的快速发展,通信信号频率越来越高,信号质量要求也越来越严。测量这些高速信号是不是只要选一个昂贵的示波器就行了呢?其实不然,如果一些细节没有被注意,再贵的示波器也不见得测得准!一、带宽选择
测量高速信号,首先要考虑测试系统的带宽,这个测试系统的带宽包括探头的带宽和示波器的带宽。要测量100MHz的信号,用一个100MHz带宽的示波器是不是就可以了?一些用户可能对带宽的概念并不是很清晰。认为100MHz带宽的示波器就可以测量100MHz的信号了,其实并不是这样。带宽所指的频率是正弦波信号衰减到-3dB时的频率,而我们一般测量的数字信号都不是正选波,而是接近方波。这两者对带宽的需求是不同的。
根据傅里叶变换可知,方波可以分解为奇次倍数频率的正弦波。比如1MHz的方波,是由1MHz、3MHz、5MHz、7MHz......等正弦波叠加而成。下图为不同滤波器下方波信号的响应。分别为把滤波器设置为方波基频频率、3次谐波频谱、5次谐波频率、7次谐波频率的方波响应。
想要得到较为完整的方波信息,最少需要5次谐波分量,而且如果想要获得更加准确的信息,就需要能够测量到更多的谐波分量。
所以选择示波器和探头带宽时至少要选择被测量方波信号的5次谐波频率以上的带宽。
二、探头的选择
示波器是无法直接对信号进行测量的,必须通过一个物理连接将信号传输到示波器内。这种物理连接就是探头。探头对高速信号测量来说至关重要。普通无源探头一般有1:1探头和10:1探头两种。这两种探头除了衰减比例不同外,还会对高速信号产生很大的差异。想要解释这个问题,需要现讨论一下探头的一个关键特性——负载效应。
理想情况下,我们希望我们的测量设备的阻抗无穷大,这样测试设备的接入就不会对被测系统产生任何影响,从而保证测量的真实性。但是遗憾的是测量系统不可能有无穷大的输入阻抗,而这时候,测量设备的接入,会对被测系统产生什么影响呢?
由于探头一定要有一段线,否则将不方便测量,而且线的长度一般都会超过1米。这导致了其寄生电容非常大,大约为100pF左右。在测量高频信号时会产生了很大的负载效应。
×10探头的输入电容C_in是10pF与后面电容的串联,按电容串联公式计算可知,C_in一定是小于10pF的,远小于×1探头的输入电容,且Rin已经增加到10MΩ。所以×10探头就有更小的寄生电容,更高的输入电阻,从而大大减小了探头的负载效应。
所以测量高速信号时,需要选择×10或者更高衰输入阻抗的探头。
三、接地方式的选择
传统的使用习惯上,示波器的接地方式就是那根长长的接地夹线。这种接地方式,确实是一种简单方便的接地方式,但是却并不是一种严谨的、准确的接地方式。
由于地夹线比较长,其会形成一个寄生电感L_gnd,随着夹线的增长,这个电感也会增大,而这个回路电感会和示波器探头的输入电容C_in产生谐振。这就导致示波器的幅频特性变得不平坦,导致测量不准确。下图为使用接地夹时的等效电路。
在60MHz以上的频率,幅度已经产生了超过3dB的过冲,而到达100M左右时,过冲到最大幅度。所以如果采用地夹,测量超过60MHz的信号就会产生比较大的失真。正确的方式应该是采用接地弹簧。接地弹簧具有非常小的电感,可以大大提升探头的带宽。
四、测量位置选择
对于高频信号而言,PCB走线已经不能简单当做短路线来处理,而是需要考虑到线路上的传播延时、信号反射等方面的影响。传统低速信号之所以可以不考虑PCB走线的影响,是因为其波长较长,PCB走线的长度可以忽略不计,从而当成集中元件来处理。但是高频信号的波长较短,PCB走线的长度已经不可能再被忽略,信号也必须从波的角度去考虑。
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