示波器测量高速信号？四步检查法轻松搞定！

2018-12-05 17:02

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。

图1 截至频率为方波频率的滤波情况

图2 截至频率为方波3次谐波频率的滤波情况

图3 截至频率为方波5次谐波频率的滤波情况

图4 截至频率为方波7次谐波频率的滤波情况

可以看出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？假设被测试系统如下图所示。

图5 被测系统等效示意图

可以看出，测量点电压：

而当采用示波器进行测量时，由于示波器的输入电阻和寄生电容，会使得此时的等效电路图如下图所示：

图6 探头接入等效示意图

可以看出，此时测量点电压为：

其中Rin为输入阻抗，Cin为寄生电容，s代表频率。可以看出，此时测试点的电压已经发生了变化，这导致了探头接入前后，信号本身已经发生了改变。通过公式可以看出，Rin越大，对信号影响越小。而1／（Cin×s）这项是寄生电容与测量信号频率的乘积的倒数，当测试信号频率越高，则这项的影响就越大，要想降低该项的影响，只能尽量降低寄生电容Cin的容值。

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