【科技小常識】測高器怎麼用？不注意這些，再貴的示波器都測不準！

測高器怎麼用

隨著電子技術的快速發展，通訊訊號頻率越來越高，訊號質量要求也越來越嚴。測量這些高速訊號是不是隻要選一個昂貴的示波器就行了呢？其實不然，如果一些細節沒有被注意，再貴的示波器也不見得測得準！

一、頻寬選擇

測量高速訊號，首先要考慮測試系統的頻寬，這個測試系統的頻寬包括探頭的頻寬和示波器的頻寬。要測量100MHz的訊號，用一個100MHz頻寬的示波器是不是就可以了？一些使用者可能對頻寬的概念並不是很清晰。認為100MHz頻寬的示波器就可以測量100MHz的訊號了，其實並不是這樣。頻寬所指的頻率是正弦波訊號衰減到-3dB時的頻率，而我們一般測量的數字訊號都不是正選波，而是接近方波。這兩者對頻寬的需求是不同的。

根據傅立葉變換可知，方波可以分解為奇次倍數頻率的正弦波。

比如1MHz的方波，是由1MHz、3MHz、5MHz、7MHz……等正弦波疊加而成。下圖為不同濾波器下方波訊號的響應。分別為把濾波器設定為方波基頻頻率、3次諧波頻譜、5次諧波頻率、7次諧波頻率的方波響應。

圖1 截至頻率為方波頻率的濾波情況

圖2 截至頻率為方波3次諧波頻率的濾波情況

圖3截至頻率為方波5次諧波頻率的濾波情況

圖4 截至頻率為方波7次諧波頻率的濾波情況

可以看出想要得到較為完整的方波資訊，最少需要5次諧波分量，而且如果想要獲得更加準確的資訊，就需要能夠測量到更多的諧波分量。

所以選擇示波器和探頭頻寬時至少要選擇被測量方波訊號的5次諧波頻率以上的頻寬。

二、探頭的選擇

示波器是無法直接對訊號進行測量的，必須透過一個物理連線將訊號傳輸到示波器內。這種物理連線就是探頭。探頭對高速訊號測量來說至關重要。普通無源探頭一般有1：1探頭和10：1探頭兩種。這兩種探頭除了衰減比例不同外，還會對高速訊號產生很大的差異。想要解釋這個問題，需要現討論一下探頭的一個關鍵特性——負載效應。

理想情況下，我們希望我們的測量裝置的阻抗無窮大，這樣測試裝置的接入就不會對被測系統產生任何影響，從而保證測量的真實性。但是遺憾的是測量系統不可能有無窮大的輸入阻抗，而這時候，測量裝置的接入，會對被測系統產生什麼影響呢？假設被測試系統如下圖所示。

圖5 被測系統等效示意圖

可以看出，測量點電壓：

而當採用示波器進行測量時，由於示波器的輸入電阻和寄生電容，會使得此時的等效電路圖如下圖所示：

圖6 探頭接入等效示意圖

可以看出，此時測量點電壓為：

其中Rin為輸入阻抗，Cin為寄生電容，s代表頻率。可以看出，此時測試點的電壓已經發生了變化，這導致了探頭接入前後，訊號本身已經發生了改變。透過公式可以看出，Rin越大，對訊號影響越小。而1/（Cin×s）這項是寄生電容與測量訊號頻率的乘積的倒數，當測試訊號頻率越高，則這項的影響就越大，要想降低該項的影響，只能儘量降低寄生電容Cin的容值。

下圖為×1探頭的模型：

圖7 ×1探頭模型圖

由於探頭一定要有一段線，否則將不方便測量，而且線的長度一般都會超過1米。這導致了其寄生電容非常大，大約為100pF左右。在測量高頻訊號時會產生了很大的負載效應。我們再來看一下×10的探頭模型：

圖8 ×10探頭模型圖

可以看出，×10探頭的輸入電容Cin是10pF與後面電容的串聯，按電容串聯公式計算可知，Cin一定是小於10pF的，遠小於×1探頭的輸入電容，且Rin已經增加到10MΩ。所以×10探頭就有更小的寄生電容，更高的輸入電阻，從而大大減小了探頭的負載效應。

所以測量高速訊號時，需要選擇×10或者更高衰輸入阻抗的探頭。

三、接地方式的選擇

傳統的使用習慣上，示波器的接地方式就是那根長長的接地夾線。這種接地方式，確實是一種簡單方便的接地方式，但是卻並不是一種嚴謹的、準確的接地方式。

圖9 接地夾線示意圖

由於地夾線比較長，其會形成一個寄生電感Lgnd，隨著夾線的增長，這個電感也會增大，而這個迴路電感會和示波器探頭的輸入電容Cin產生諧振。這就導致示波器的幅頻特性變得不平坦，導致測量不準確。下圖為使用接地夾時的等效電路。

圖10 接地夾線等效電路圖

下圖為用該等效電路模擬出的頻譜特性曲線：

圖11 頻譜特性曲線圖

可以看出，在60MHz以上的頻率，幅度已經產生了超過3dB的過沖，而到達100M左右時，過沖到最大幅度。所以如果採用地夾，測量超過60MHz的訊號就會產生比較大的失真。正確的方式應該是採用接地彈簧。接地彈簧具有非常小的電感，可以大大提升探頭的頻寬。

圖12 接地彈簧示意圖

四、測量位置選擇

對於高頻訊號而言，PCB走線已經不能簡單當做短路線來處理，而是需要考慮到線路上的傳播延時、訊號反射等方面的影響。

傳統低速訊號之所以可以不考慮PCB走線的影響，是因為其波長較長，PCB走線的長度可以忽略不計，從而當成集中元件來處理。但是高頻訊號的波長較短，PCB走線的長度已經不可能再被忽略，訊號也必須從波的角度去考慮。下圖為同一訊號在源端和終端測量到的波形：

圖13 不同位置測量差別圖

之所以會這樣，是因為電訊號在PCB上是向波一樣進行傳輸。其傳播速度一般是光速的一半。所以會造成訊號在PCB上傳播會發生延時，且會根據特性阻抗的變化而產生反射。上圖中訊號的終端裝置並沒有進行端接，所以當訊號來到終端時會產生一個反射的波，反射回源端，再經過PCB上的延時，反射波和發射訊號發生疊加，從而產生源端位置的波形。同理，不只是源端，在整個傳輸線上，發射訊號與反射訊號都會發生疊加，差別在於彼此的相位差不同，疊加波形也不同。

可以看出測量點位置的選擇，會導致測量結果的巨大差異。所以測量高速訊號時，測量位置離終端裝置越近越好，這樣才能真實的測量出終端裝置接受到的訊號是怎樣的波形。

總結

本文中指出了一些測量高速訊號的一些注意事項，歸納如下：

1、選擇示波器和探頭頻寬時至少要選擇被測量方波訊號的5次諧波頻率以上的頻寬。

2、測量高速訊號時，需要選擇×10或者更高輸入阻抗的探頭。

3、接地方式的選擇，應該儘可能的降低接地迴路電感，如使用接地彈簧。這樣才能真正發揮測量系統的頻寬。

4、測量高速訊號時，測量位置離終端裝置越近越好，這樣才能真實的測量出終端裝置接受到的是怎麼樣的訊號。

以上就是本文的主要內容。ZDS4054 Plus示波器具有500MHz頻寬，可以真實測量100MHz的方波訊號，配合探頭可以實現9pF的輸入電容，大大降低測量負載效應，可以很好的測量大多數高速訊號。