测试测量关键基础之示波器（一）

三、选择合适示波器带宽方法

　　带宽是大多数工程师在选择一款示波器时首先考虑的参数。本文将为您提供一些有用的窍门，教您如何为您的数字和模拟应用选择合适的示波器带宽。

　　数字应用需要的示波器带宽

　　经验告诉我们，示波器的带宽至少应比被测系统最快的数字时钟速率高5倍。如果我们选择的示波器满足这一标准，那么该示波器就能以最小的信号衰减捕捉到被测信号的5次谐波。信号的5次谐波在确定数字信号的整体形状方面非常重要。但如果需要对高速边沿进行精确测量，那么这个简单的公式并未考虑到快速上升和下降沿中包含的实际高频成分。

　　公式：fBW ≥ 5 x fclk

　　确定示波器带宽的一个更准确的方法是根据数字信号中存在的最高频率，而不是最大时钟速率。数字信号的最高频率要看设计中最快的边沿速度是多少。因此，我们首先要确定设计中最快的信号的上升和下降时间。这一信息通常可从设计中所用器件的公开说明书中获取。

　　第一步：确定最快的边沿速度

　　然后就可以利用一个简单的公式计算信号的最大“实际”频率成分。Howard W. Johnson博士就此题目写过一本书《高速数字设计》。在书中，他将这一频率成分称为“拐点 ”频率(fknee)。所有快速边沿的频谱中都包含无限多的频率成分，但其中有一个拐点(或称“knee”)，高于该频率的频率成分对于确定信号的形状就无关紧要了。

　　第二步：计算fknee

　　fknee = 0.5/RT (10% - 90%)

　　fknee = 0.4/RT (20% - 80%)

　　对于上升时间特性按照10% 到90%阀值定义的信号而言，拐点频率fknee等于0.5除以信号的上升时间。对上升时间特性按照20% 到80%阀值定义的信号而言(如今的器件规范中通常采用这种定义方式)，fknee等于0.4除以信号的上升时间。但注意不要把此处的信号上升时间与示波器的上升时间规格混淆了，我们这里所说的是实际的信号边沿速度。

　　第三步就是根据测量上升时间和下降时间所需的精确程度来确定测量该信号所需的示波器带宽。表1给出了对于具备高斯频响或最大平坦频响的示波器而言，在各种精度要求下需要的示波器带宽与fknee的关系。但要记住的是，大多数带宽规格在1 GHz及以下的示波器通常都是高斯频响型的，而带宽超过1 GHz的通常则为最大平坦频响型的。

　　表1：根据需要的精度和示波器频率响应的类型计算示波器所需带宽的系数

　　第三步：计算示波器带宽

　　下面我们通过一个简单的例子进行讲解：

　　对于在测量500ps上升时间(10-90%)时具有正确的高斯频率响应的示波器，确定其所需的最小带宽

　　如果信号的上升/下降时间约为500ps(按10%到90%的标准定义)，那么该信号的最大实际频率成分((fknee)就约为1 GHz。

　　fknee = (0.5/500ps) = 1 GHz

　　如果在进行上升时间和下降时间参数测量时允许20%的定时误差，那么带宽为1 GHz的示波器就能满足该数字测量应用的要求。但如果要求定时精度在3%范围内，那么采用带宽为2GHz的示波器更好。

　　20%定时精度：

　　示波器带宽=1.0x1GHz=1.0GHz

　　3%定时精度：

　　示波器带宽=1.9x1GHz=1.9GHz

　　下面我们将用几个带宽不同的示波器对与该例中的信号具备类似特性的一个数字时钟信号进行测量。

　　不同带宽示波器对同一数字时钟信号的测量比较

　　图3给出了利用Agilent 公司带宽为100MHz的示波器 MSO6014A测量一个边沿速度为500ps(从10%到90%)的100MHz数字时钟信号得到的波形结果。[page]

　　图3

　　从图中可以看出，该示波器主要只通过了该时钟信号的100MHz基本频率成分，因此，时钟信号显示出来大约是正弦波的形状。带宽为100MHz的示波器对许多时钟速率在10MHz 到 20MHz 范围的基于MCU的8bit设计而言可能非常合适，但对于这里测量的100MHz的时钟信号就明显不够了。 图4给出了利用Agilent公司500MHz带宽的示波器MSO6054A测量同一信号的结果。

　　图4

　　从图中可以看出，该示波器最高能捕捉到信号的5次谐波，这恰好满足了我们在前面给出的第一个经验建议。但在我们测量上升时间时发现，用这台示波器测量得到的上升时间约为750ps。在这种情况下，示波器对信号上升时间的测量就不是非常准确，它得到的测量结果实际上很接近它自己的上升时间(700ps)，而不是输入信号的上升时间(接近500ps)。这说明，如果时序测量比较重要，那么我们就需要用更高带宽的示波器才能满足这一数字测量应用的要求。

　　换用Agilent1-GHz带宽的示波器MSO6104A之后，我们得到的信号图像(见图5)就更准确了。

　　图5

　　在示波器中选择上升时间测量后，我们得到的测量结果约为550ps。这一测量结果的精度约为10%，已经非常让人满意，尤其在需要考虑示波器资金投入的情况下。但有时，即便是1GHz带宽示波器得到的这种测量结果也可能被认为精度不够。如果我们要求对这个边沿速度在500ps的信号达到3%的边沿速度测量精度，那么我们就需要2 GHz或更高带宽的示波器，这一点我们在前面的例子中已经提到。

　　换用2GHz带宽的示波器之后，我们现在看到的(见图6)就是比较精确的时钟信号，上升时间测量结果约为495ps。

　　图6

　　安捷伦Infiniium系列高带宽示波器有一个优点，那就是带宽可以升级。如果2 GHz带宽对今天的应用已经足够，那么您开始可以只购买入门级的2-GHz示波器，以后当您需要更高的带宽时，再将其逐步升级到13 GHz。

　　模拟应用需要的示波器带宽

　　多年之前，大多数示波器厂商就建议用户在选择示波器时，带宽至少应比最大信号频率高3倍。尽管这一“3X”准则并不适用于以时钟速率为基础的数字应用，但它却仍然适用于已调RF信号测量等模拟应用。为了便于读者理解这一三倍乘子的来历，我们来看一个1GHz带宽示波器的真正频率响应。

　　图7所示为对Agilent1-GHz带宽示波器MSO6104A的扫频响应测试(扫频范围20 MHz到 2 GHz)。

　　图7

　　从图中可以看出，恰好在1 GHz处，输入信号衰减约为1.7 dB，这还远未超出定义示波器带宽的-3 dB限。然而，要想精确测量模拟信号，我们只能利用示波器带宽中衰减最小的相对平坦的那部分频带。对该示波器而言，在其1 GHz带宽的大约三分之一处，输入信号基本没有衰减(衰减为0dB)。但并非所有示波器都具备这样的频响。

　　图8所示的是对另一厂商的1.5-GHz带宽示波器进行扫频响应测试的结果。

　　图8

　　这正是一个远非平坦频响的例子。该示波器的频响既不是高斯频响也不是最大平坦频响，反而更像“最大起伏”频响，而且尖峰现象很严重，这会导致波形严重失真，不论测量的是模拟信号还是数字信号。不幸的是，示波器的带宽规范(即输入信号衰减为3dB的频率)中对在其他频率上的信号衰减或放大没有任何规定。在这台示波器上，即便是在示波器带宽的五分之一处，信号也有大约1dB(10%)的衰减。因此，在这种情况下再根据3X准则选择示波器就很不明智了。所以，在挑选示波器时，最好是选择著名厂商的产品，而且要密切注意示波器频响的相对平坦度。 本文小结

　　总的来说，对数字应用而言，示波器带宽至少应比被测设计的最快时钟速率快5倍。但在需要精确测量信号的边沿速度时，则要根据信号的最大实际频率成分来决定示波器带宽。对模拟应用而言，示波器带宽至少应比被测设计中的模拟信号最高频率高3倍，但这一经验准则只适用于那些在低频段上频响相对平坦的示波器。
 

四、如何确定示波器带宽?

　　带宽被称为示波器的第一指标，也是示波器最值钱的指标。示波器市场的划分常以带宽作为首要依据，工程师在选择示波器的时候，首先要确定的也是带宽。在销售过程中，关于带宽的故事也特别多。

　　通常谈到的带宽没有特别说明是指示波器模拟前端放大器的带宽，也就是常说的-3dB截止频率点。 此外，还有数字带宽，触发带宽的概念。

　　我们常说数字示波器有五大功能，即捕获(Capture)，观察(View)，测量(Measurement)，分析(Analyse)和归档(Document)。 这五大功能组成的原理框图如图1所示。[page]

　　图1，数字示波器的原理框图

　　捕获部分主要是由三颗芯片和一个电路组成，即放大器芯片，A/D芯片，存储器芯片和触发器电路，原理框图如下图2所示。被测信号首先经过探头和放大器及归一化后转换成ADC可以接收的电压范围，采样和保持电路按固定采样率将信号分割成一个个独立的采样电平，ADC将这些电平转化成数字的采样点，这些数字采样点保存在采集存储器里送显示和测量分析处理。

　　图2，示波器捕获电路原理框图

　　示波器放大器的典型电路如图3所示。这个电路在模拟电路教科书中处处可见。这种放大器可以等效为RC低通滤波器如图4所示。 由此等效电路推导出输出电压和输入电压的关系，得出理想的幅频特性的波特图如图5所示。

　　图3，放大器的典型电路

　　图4，放大器的等效电路模型

　　图5，放大器的理想波特图

　　至此，我们知道带宽f2即输出电压降低到输入电压70.7%时的频率点。 根据放大器的等效模型，我们可进一步推导示波器的上升时间和带宽的关系式，即我们常提到的0.35的关系：上升时间=0.35/带宽，推导过程如下图6所示。 需要说明的是，0.35是基于高斯响应的理论值，实际测量系统中这个数值往往介于0.35-0.45之间。在示波器的datasheet上都会标明“上升时间”指标。 示波器测量出来的上升时间与真实的上升时间之间存在下面的关系式。 在对快沿信号测试中，需要通过该关系式来修正实际被测信号的上升时间。

　　Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2

　　图6，示波器上升时间和带宽的关系

　　示波器前端放大器幅频特性的波特图是新示波器发布的“出生证”。 示波器每年需要进行校准，波特图是第一需要校准的数据。示波器波特图的测量方法如图7所示。 信号源从10MHz频率开始逐渐递增发送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器将输入的信号能量等分为二后通过等长的线缆分别送到示波器和功率计。 功分器和线缆是无源器件，可以严格定标，信号源本身的幅频特性不可以作为定标仪器，需要通过功率计实测的能量来作为示波器的输入幅值的定标值。 有时候客户会对示波器的波特图很感兴趣，直接用信号源连接到示波器来评估示波器的波特图，在带宽超过1GHz时这种方法是很不严谨的。需要用功率计来作为定标工具!
 

五、示波器探头原理及种类详解

　　任何使用过示波器的人都会接触过探头，通常我们说的示波器是用来测电压信号的（也有测光或电流的，都是先通过相应的传感器转成电压量测量），探头的主要作用是把被测的电压信号从测量点引到示波器进行测量。

　　大部分人会比较关注示波器本身的使用，却忽略了探头的选择。实际上探头是介于被测信号和示波器之间的中间环节，如果信号在探头处就已经失真了，那么示波器做的再好也没有用。实际上探头的设计要比示波器难得多，因为示波器内部可以做很好的屏蔽，也不需要频繁拆卸，而探头除了要满足探测的方便性的要求以外，还要保证至少和示波器一样的带宽，难度要大得多。因此最早高带宽的实时示波器刚出现时是没有相应的探头的，又过了一段时间探头才出来。

　　要选择合适的探头，首要的一点是要了解探头对测试的影响，这其中包括2部分的含义：1/探头对被测电路的影响；2/探头造成的信号失真。理想的探头应该是对被测电路没有任何影响，同时对信号没有任何失真的。遗憾的是，没有真正的探头能同时满足这两个条件，通常都需要在这两个参数间做一些折衷。

　　为了考量探头对测量的影响，我们通常可以把探头模型简单等效为一个R、L、C的模型，把这个模型和我们的被测电路放在一起分析。

　　首先，探头本身有输入电阻。和万用表测电压的原理一样，为了尽可能减少对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe要尽可能大。但由于Rprobe不可能做到无穷大，所以就会和被测电路产生分压，实际测到的电压可能不是探头点上之前的真实电压，这在一些电源或放大器电路的测试中会经常遇到。为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探头的输入阻抗在几十k欧姆到几十兆欧姆间。

　　其次，探头本身有输入电容。这个电容不是刻意做进去的，而是探头的寄生电容。这个寄生电容也是影响探头带宽的最重要因素，因为这个电容会衰减高频成分，把信号的上升沿变缓。通常高带宽的探头寄生电容都比较小。理想情况下Cprobe应该为0，但是实际做不到。一般无源探头的输入电容在10pf至几百pf间，带宽高些的有源探头输入电容一般在0.2pf至几pf间。

　　再其次，探头输入端还会受到电感的影响。探头的输入电阻和电容都比较好理解，探头输入端的电感却经常被忽视，尤其是在高频测量的时候。电感来自于哪里呢？我们知道有导线就会有电感，探头和被测电路间一定会有一段导线连接，同时信号的回流还要经过探头的地线。通常1mm探头的地线会有大约1nH的电感，信号和地线越长，电感值越大。探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路，当电感值太大时，在输入信号的激励下就有可能产生高频谐振，造成信号的失真。所以高频测试时需要严格控制信号和地线的长度，否则很容易产生振铃。

　　在了解探头的结构之前，需要先了解一下示波器输入接口的结构，因为这里是连接探头的地方，示波器的输入接口电路和探头共同组成了我们的探测系统。

　　大部分的示波器输入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式。示波器的输入端有1M欧姆或50欧姆的匹配电阻。示波器的探头种类很多，但是示波器的的匹配永远只有1M欧姆或50欧姆两种选择，不同种类的探头需要不同的匹配电阻形式。

　　从电压测量的角度来说，为了对被测电路影响小，示波器可以采用1M欧姆的高输入阻抗，但是由于高阻抗电路的带宽很容易受到寄生电容的影响。所以1M欧姆的输入阻抗广泛应用与500M带宽以下的测量。对于更高频率的测量，通常采用50欧姆的传输线，所以示波器的50欧姆匹配主要用于高频测量。

　　传统上来说，市面上100MHz带宽以下的示波器大部分只有1M欧姆输入，因为不会用于高频测量；100MHz～1GHz带宽的示波器大部分有1M欧姆和50欧姆的切换选择，同时兼顾高低频测量；2GHz或更高带宽的示波器由于主要用于高频测量，所以大部分只有50欧姆输入。不过随着市场的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1M欧姆和50欧姆的输入切换。

　　广义的意义上说，测试电缆也属于一种探头，比如BNC或SMA电缆，而且这种探头既便宜性能又高。但是使用测试电缆连接时需要在被测电路上也有BNC或SMA的接口，所以应用场合有限，主要用于射频和微波信号测试。对于数字或通用信号的测试，还是需要专门的探头。

　　示波器的探头按是否需要供电可以分为无源探头和有源探头，按测量的信号类型可以分为电压探头、电流探头、光探头等。所谓的无源探头，是指整个探头都由无源器件构成，包括电阻、电容、电缆等；而有源探头内部一般有放大 器，放大器是需要供电的，所以叫有源探头。
 

　　无源探头根据输入阻抗的大小又分为高阻无源探头和低阻无源探头两种。

　　高阻无源探头即我们通常所说的无源探头，应用最为广泛，基本上每个使用过示波器的人都接触过这种探头。高阻无源探头和示波器相连时，要求示波器端的输入阻抗是1M欧姆。以下是一个10：1 高阻无源探头的原理框图。

　　为了方便测量，探头通常都会有1米左右的长度，如果不加匹配电路，很难想象探头能够提供数百兆Hz的带宽的。示波器的输入寄生电容也会影响带宽。为了改善探头的高频相应，探头前端会有相应的匹配电路，最典型的就是一个Rprobe和Cprobe的并联结构。探头要在带内产生平坦增益的一个条件是要满足Rprobe*Cprobe=Rscope*Cscope，具体推导就不做了，感兴趣的可以自己推一下。我们前面介绍过，Cscope是示波器的寄生电容，所以其只能控制在一定范围内，但不能精确控制，也就是说不同示波器或示波器的不同通道间Cscope的值会不太一样。为了补偿不同通道Cscope的变化，在探头接示波器的一端处一般至少会有一个可调电容Ccomp。当探头接在不同通道上时可以通过调整Ccomp来补偿Cscope的变化。几乎所有示波器都提供一个低频方波的输出，可以通过用探头测量这个方波的形状来做调整。[page]

　　Rprobe在改善频响的同时会和示波器输入电阻产生一个分压，所谓10：1的分压就是指示波器实际测量到的电压是探头前端处电压的1/10，也就是信号经过探头会有一个10倍衰减。比较简单的探头需要手工设置示波器的探头衰减倍数来得到正确的显示，更多的探头在和示波器连接端有一个自动检测的针脚，当探头插上时示波器可以通过这个pin读出探头的衰减比，并自动调整显示的比例。

　　高阻无源探头中还有2个特殊的种类。一类是高压探头，其衰减比可达100:1或1000:1，所以测量电压范围很大；还有一类是1:1的探头，即信号没有衰减就进入示波器，由于不象10：1的探头那样需要示波器再放大显示，所以示波器本身的噪声没有放大，测量的噪声会小很多，在小信号和电源纹波的测量场合应用很多。

　　高阻无源探头的优点是便宜，因为成本不高，同时输入阻抗高，测量范围大，连接方便，所以广泛应用于通用测试场合。但是随着测试频率的提高，各种二阶寄生参数很难控制，仅仅靠简单的匹配电路已经不能把带宽再提高了，所以高阻无源探头的带宽一般都在600MHz以下。

　　另一种无源探头是低阻无源探头，这是最不常用的一种探头，但有其自身的特点。以下是这种探头的原理框图。

　　低阻无源探头要求示波器的输入阻抗为50 欧姆，前端等效串了一个分压电阻。根据串阻阻值的不同，可以实现不同的分压比，比如串个450 欧姆的电阻就是10：1 的分压。由于采用50 欧姆的传输电缆，示波器端也是50 欧姆的匹配，所以整个探头的带宽比较高。如Agilent 的54006A 探头带宽可以达6GHz。

　　但是由于探头的输入阻抗低（只有500 欧姆或 1k 欧姆），测试中如果并在电路里还是可能对被测信号产生一点影响的，特别对高输出阻抗的电路，因此应用不是特别广泛。

　　低阻无源探头的最大好处是以接近普通高阻无源探头的价格提供了比较高的测试带宽（1G～6GHz），缺点主要是输入阻抗低。

　　前面我们介绍过高阻无源探头的输入阻抗高，但带宽做不高，低阻无源探头带宽可以做高但输入阻抗不高。那么能不能有一种探头输入阻抗又高带宽又高呢？实际上是有的，这种探头就是有源探头。

　　其实有源探头也是个广泛的说法，是指需要供电的探头。应用比较广泛的有源电压探头的原理如下。

　　有源探头的前端有一个高带宽的放大器，放大器是需要供电的，这也是有源探头名称的由来。我们知道放大器的输入阻抗都是比较高的，所以有源探头可以提供比较高的输入阻抗；同时放大器的输出驱动能力又很强，所以可以直接驱动后面50 欧姆的负载和传输线。由于50 欧姆的传输线可以提供很高的传输带宽，再加上放大器本身带宽较高，所以整个探头系统相比无源探头就可以提供更高带宽。

　　我们可以看到有源探头的所有优异特性都是由其前端的放大器带来的，但是这个高带宽的放大器造价很高，而且又要放在探头前端有限的空间内，因此实现成本很高。一般无源探头的价格都是几百美金左右，而有源探头的价格普遍在几千美金量级，所以有源探头一般用在需要高的测量带宽的场合。

　　但是有源探头也不是没有缺点，限制有源探头广泛应用的除了价格因素外，另外一个原因在于其有限的动态范围。我们知道象这种高带宽放大器的输入电压范围是不可能很大的，所以它不可能象无源探头有那么大的测量范围。一般常用的10：1的无源探头的动态范围普遍在几百伏，而一般有源探头的典型动态范围都在几伏左右，所以应用场合会有一些限制。

　　有源探头里还有一个分支是差分有源探头，区别在于其前端的放大器是差分放大器。差分放大器的好处是可以直接测试高速的差分信号，同时其共模抑制比高，对共模噪声的抑制能力比较好。

　　还有一种有源探头是电流探头，电流探头使的前端有一个磁环，使用时这个磁环套在被测的供电线上。由于电流流过电线所产生的磁场就被这个磁环收集到，磁通量和电线上流过的电流成正比。磁环内部有一个霍尔传感器，可以检测磁通量，其输出电压和磁通量成正比。因此，电流探头的输出电压就和被测电线上流过的电流成正比。典型电流探头的转换系数是0.1V/A 或 0.01V/A。

　　电流探头的主要好处是不用断开供电线就可以进行电流测量，同时由于其基于霍尔效应，所以即可以进行直流测量，也可以用于交流测量。电流探头的典型应用场合是系统功率测量、功率因子测量、开关机冲击电流波形测量等。电流探头的主要缺点在于其小电流的测量能力受限于示波器的底噪声，所以小电流测量能力有限。一般小于10mA 的电流就很难测量到了。（完）