一、示波器不可不知的問題

　　Q1: 在高速串行測試時，對測試所需示波器有什么樣的要求?哪幾個指標是最關鍵的?

　　A: 基本來說對帶寬和采樣率要滿足串行信號的要求，接下來就需要考察是否是差分信號，以及示波器對串行測試的分析功能，比如說碼型的觸發(fā)和解碼等等。

　　Q2: 在測量高速數(shù)字信號時，示波器的帶寬是不是一定要是信號頻率的5倍以上?為什么?

　　A: 選擇示波器的帶寬，一般是被測信號的速率的2.5倍或信號最高頻率的5倍，這樣可以看到高速信號的5次諧波。

　　Q3: 測試時的帶寬是如何影響測試結果?對測試儀器的帶寬有何要求?

　　A: 首先，帶寬不足會損失掉信號的高頻諧波分量，導致時間和幅度測試的不準確。然而即使帶寬相同的示波器會表現(xiàn)出不同的上升時間，對應用來說，測量上升沿上發(fā)生的錯誤非常關鍵，另外在數(shù)據(jù)信號中，對眼圖的張開度影響也很大。正因如此，上升時間指標對在時域中執(zhí)行測量的設備(示波器)非常重要。

　　Q4: 帶寬是否越高越好?

　　A: 前面提到，目前廣泛使用的電路板、連接器、電纜和集成模塊的上升時間非常有限，以至于高速信號經(jīng)過傳輸之后高頻分量損耗嚴重。許多新的第三代標準(USB3.0, PCIE Gen3, 10G-KR)已經(jīng)考慮到這一點，要求的帶寬比以前低得多。當然，也有一些例外情況，要求更高的帶寬。比如100G以太網(wǎng)方案，它采用復雜的調(diào)制技術(DP-QPSK)，要求四個模擬輸入及超過20 GHz的帶寬進行分析。鑒于這些應用，泰克已經(jīng)宣布，其帶寬超過30GHz的示波器將于今年下半年晚些時候推出。

　　Q5: 怎樣才能提高測試儀器的靈敏度呢?

　　A: 選擇合適的帶寬，帶寬過大會增加噪聲，在垂直設置上，盡可能讓信號填滿屏幕，好充分利用示波器的AD位數(shù)，可以采用波形平均，合適的探頭的帶寬，選擇高分辨率 (Hi-res) 采集模式等等。

　　Q6: 在對系統(tǒng)設計進行調(diào)試時，確認異常現(xiàn)象并在短時間內(nèi)弄清電路的運行條件，如何增加捕捉異?，F(xiàn)象的機會?

　　A: 使用DPX技術，并打開無限余輝，幾秒鐘就可以看到平時可能數(shù)小時看不到的異常信號。該性能提高了見證數(shù)字系統(tǒng)中出現(xiàn)的瞬態(tài)事件的幾率，這些瞬態(tài)事件包括短脈沖、毛刺和轉換誤差等。

二、如何操作無使用說明書的示波器

　　示波器的型號多種多樣，其中無使用說明書的示波器占很大比例，這對于初次使用示波器的初學者十分不便。本文根據(jù)實踐經(jīng)驗，就如何操作無使用說明書的示波器作簡單介紹，希望能給初學者帶來幫助。

　　一、常見示波器面板功能鍵、鈕的標示及作用

　　1.Power(電源開關)：接通或關斷整機輸入電源。

　　2.FOCUS(聚焦)和ASTIG(輔助聚焦)：常為套軸電位器，用于調(diào)整波形的清晰度。

　　3.ROTATION(掃描軌跡旋轉控制)：調(diào)整此旋鈕可以使光跡和座標水平線平行。

　　4.ILLUM(坐標刻度照明)：用于照亮內(nèi)刻度坐標。

　　5.A/B INTEN(A/B亮度控制)：通常為套軸電位器，作用是調(diào)節(jié)A和B掃描光跡的亮度。

　　6.CAL 0.5Vp-p(校正信號輸出)：提供0.5Vp-p且從0電平開始的正向方波電壓，用于校正示波器。

　　7.VOLTS/div(電壓量程選擇)：通常電壓量程和幅度微調(diào)為套軸電位器，外調(diào)節(jié)旋鈕是電壓量程選擇，轉動此旋鈕以改變電壓量程;中間帶開關的電位器為電壓量程微調(diào)，順時針旋到底為校正位置，逆時針調(diào)節(jié)，波形幅度，變化范圍在電壓/格兩檔之間。

　　8.CH1和CH2(輸入信號插座)：為示波器提供輸入信號。

　　9.AC GND DC(輸入耦合開關)：用于選擇輸入信號的耦合方式。

　　10.GRIG SEL(內(nèi)同步選擇)：按下此鍵，以CH1和CH2分別作為內(nèi)同步信號源。

　　11.CH POL(信號倒相)：按下此鍵，輸入信號倒相180°。

　　12.VERTICAL MODE(垂直工作方式選擇)：分別按下CH1、CH2、ALT、COHP、ADD、X-Y鍵，屏幕顯示依次為CH1、CH2、CH1和CH2交替、CH1和CH2斷續(xù)、CH1和CH2代數(shù)和、CH1垂直/CH2水平等方式。

　　13.POSITION(位移調(diào)節(jié))：調(diào)節(jié)CH1和CH2輸入信號0電平在屏幕的起始位置。

　　14.UNCAL(不校正指示)：當CH1和CH2電壓量程微調(diào)不在校正位置時，對應的不校正指示燈點亮。

　　15.TIME(掃描時間調(diào)整)：外旋鈕調(diào)節(jié)A掃描速度，內(nèi)旋鈕調(diào)節(jié)B掃描速度。

　　16.B.VAR、TRACE SEP(B掃描微調(diào)和A/B掃描軌跡分離)：一般情況下，涂有紅色的旋鈕為B掃描微調(diào)，提供連續(xù)可變的非校正B掃描速度。

　　17.DELAY TIME(掃描延遲時間調(diào)節(jié))：選擇A和B掃描啟動之間的延遲時間。

　　18.POSITION(水平位移控制)：使顯示波形作水平位移。

　　19.SWEEP MODE(觸發(fā)同步方式)：其中AUTO為自動觸發(fā)、NORM為常態(tài)觸發(fā)、HF為高頻觸發(fā)、SINGLE為單掃描觸發(fā)。

　　20.LEVEL HOLD OFF(電平和釋抑調(diào)節(jié))：是電平調(diào)節(jié)觸發(fā)同步后，使信號同步穩(wěn)定的輔助調(diào)節(jié)器。

　　21.TRIGD(觸發(fā)同步狀態(tài)指示)：一旦掃描電路被觸發(fā)同步后 ，指示燈點亮。

　　22.SLOPE(斜率開關)：選擇觸發(fā)信號的斜率，開關置"+"時，掃描以觸發(fā)信號的正斜率觸發(fā);開關置"-"時，掃描以觸發(fā)信號的負向斜率觸發(fā)。

　　23.COUPLING(觸發(fā)耦合開關)：決定掃描觸發(fā)源的耦合方式。AC為交流耦合、DC為直流耦合、TV為電視場/行同步耦合、HFREJ為同步耦合。

　　24.SOURCE(觸發(fā)源選擇開關)：INT為CH1或CH2輸入信號觸發(fā)、LINE為市電內(nèi)電源觸發(fā)、EXT為外輸入信號觸發(fā)。

　　二、一般使用方法

　　1.獲得基線：

　　使用無使用說明書的示波器時，首先應調(diào)出一條很細的清晰水平基線，然后用探頭進行測量，步驟如下。

　　(1)預置面板各開關、旋鈕。 亮度置適中位置，聚焦和輔助聚焦置適中位置，垂直輸入耦合置"AC"，垂直電壓量程選擇置適當檔位(如"5mV/div")，垂直工作方式選擇置"CH1"，垂直靈敏度微調(diào)校正置"CAL"，垂直通道同步源選擇置中間位置，垂直位置置中間，A和B掃描時間均置適當檔位(如"0.5ms/div")，A掃描時間微調(diào)置校準位置"CAL"，水平位移置中間，掃描工作方式置"A"，觸發(fā)同步方式置"AUTO"，斜率開關置"+"，觸發(fā)耦合開關置"AC"，觸發(fā)源選擇置"INT"。

　　(2)按下電源開關，電源指示燈亮。

　　(3)調(diào)節(jié)A亮度聚焦等有關控制旋鈕，可出現(xiàn)纖細明亮的掃描基線，調(diào)節(jié)基線使其位置于屏幕中間與水平坐標刻度基本重合。

　　(4)調(diào)節(jié)軌跡旋轉控制使基線與水平坐標平行。

　　2.顯示信號;

　　一般示波器均有0.5Vp-p標準方波信號輸出口，調(diào)妥基線后，即可將探頭接入此插口，此時屏幕應顯示一串方波信號，調(diào)節(jié)電壓量程和掃描時間旋鈕，方波的幅度和寬度應有變化，至此說明該示波器基本調(diào)整完畢，可以投入使用。

　　3.測量信號：

　　將測試線接入CH1或CH2輸入插座，測試探頭觸及測試點，即可在示波器上觀察波形。如果波形幅度太大或太小，可調(diào)整電壓量程旋鈕;如果波形周期顯示不合適，可調(diào)整掃描速度旋鈕。

三、選擇合適示波器帶寬方法

　　帶寬是大多數(shù)工程師在選擇一款示波器時首先考慮的參數(shù)。本文將為您提供一些有用的竅門，教您如何為您的數(shù)字和模擬應用選擇合適的示波器帶寬。

　　數(shù)字應用需要的示波器帶寬

　　經(jīng)驗告訴我們，示波器的帶寬至少應比被測系統(tǒng)最快的數(shù)字時鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標準，那么該示波器就能以最小的信號衰減捕捉到被測信號的5次諧波。信號的5次諧波在確定數(shù)字信號的整體形狀方面非常重要。但如果需要對高速邊沿進行精確測量，那么這個簡單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實際高頻成分。

　　公式：fBW ≥ 5 x fclk

　　確定示波器帶寬的一個更準確的方法是根據(jù)數(shù)字信號中存在的最高頻率，而不是最大時鐘速率。數(shù)字信號的最高頻率要看設計中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設計中最快的信號的上升和下降時間。這一信息通?？蓮脑O計中所用器件的公開說明書中獲取。

　　第一步：確定最快的邊沿速度

　　然后就可以利用一個簡單的公式計算信號的最大“實際”頻率成分。Howard W. Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數(shù)字設計》。在書中，他將這一頻率成分稱為“拐點 ”頻率(fknee)。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個拐點(或稱“knee”)，高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀就無關緊要了。

　　第二步：計算fknee

　　fknee = 0.5/RT (10% - 90%)

　　fknee = 0.4/RT (20% - 80%)

　　對于上升時間特性按照10% 到90%閥值定義的信號而言，拐點頻率fknee等于0.5除以信號的上升時間。對上升時間特性按照20% 到80%閥值定義的信號而言(如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式)，fknee等于0.4除以信號的上升時間。但注意不要把此處的信號上升時間與示波器的上升時間規(guī)格混淆了，我們這里所說的是實際的信號邊沿速度。

　　第三步就是根據(jù)測量上升時間和下降時間所需的精確程度來確定測量該信號所需的示波器帶寬。表1給出了對于具備高斯頻響或最大平坦頻響的示波器而言，在各種精度要求下需要的示波器帶寬與fknee的關系。但要記住的是，大多數(shù)帶寬規(guī)格在1 GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過1 GHz的通常則為最大平坦頻響型的。

　　表1：根據(jù)需要的精度和示波器頻率響應的類型計算示波器所需帶寬的系數(shù)

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　　第三步：計算示波器帶寬

　　下面我們通過一個簡單的例子進行講解：

　　對于在測量500ps上升時間(10-90%)時具有正確的高斯頻率響應的示波器，確定其所需的最小帶寬

　　如果信號的上升/下降時間約為500ps(按10%到90%的標準定義)，那么該信號的最大實際頻率成分((fknee)就約為1 GHz。

　　fknee = (0.5/500ps) = 1 GHz

　　如果在進行上升時間和下降時間參數(shù)測量時允許20%的定時誤差，那么帶寬為1 GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測量應用的要求。但如果要求定時精度在3%范圍內(nèi)，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。

　　20%定時精度：

　　示波器帶寬=1.0x1GHz=1.0GHz

　　3%定時精度：

　　示波器帶寬=1.9x1GHz=1.9GHz

　　下面我們將用幾個帶寬不同的示波器對與該例中的信號具備類似特性的一個數(shù)字時鐘信號進行測量。

　　不同帶寬示波器對同一數(shù)字時鐘信號的測量比較

　　圖3給出了利用Agilent 公司帶寬為100MHz的示波器 MSO6014A測量一個邊沿速度為500ps(從10%到90%)的100MHz數(shù)字時鐘信號得到的波形結果。

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　　圖3

　　從圖中可以看出，該示波器主要只通過了該時鐘信號的100MHz基本頻率成分，因此，時鐘信號顯示出來大約是正弦波的形狀。帶寬為100MHz的示波器對許多時鐘速率在10MHz 到 20MHz 范圍的基于MCU的8bit設計而言可能非常合適，但對于這里測量的100MHz的時鐘信號就明顯不夠了。 圖4給出了利用Agilent公司500MHz帶寬的示波器MSO6054A測量同一信號的結果。

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　　圖4

　　從圖中可以看出，該示波器最高能捕捉到信號的5次諧波，這恰好滿足了我們在前面給出的第一個經(jīng)驗建議。但在我們測量上升時間時發(fā)現(xiàn)，用這臺示波器測量得到的上升時間約為750ps。在這種情況下，示波器對信號上升時間的測量就不是非常準確，它得到的測量結果實際上很接近它自己的上升時間(700ps)，而不是輸入信號的上升時間(接近500ps)。這說明，如果時序測量比較重要，那么我們就需要用更高帶寬的示波器才能滿足這一數(shù)字測量應用的要求。

　　換用Agilent1-GHz帶寬的示波器MSO6104A之后，我們得到的信號圖像(見圖5)就更準確了。

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　　圖5

　　在示波器中選擇上升時間測量后，我們得到的測量結果約為550ps。這一測量結果的精度約為10%，已經(jīng)非常讓人滿意，尤其在需要考慮示波器資金投入的情況下。但有時，即便是1GHz帶寬示波器得到的這種測量結果也可能被認為精度不夠。如果我們要求對這個邊沿速度在500ps的信號達到3%的邊沿速度測量精度，那么我們就需要2 GHz或更高帶寬的示波器，這一點我們在前面的例子中已經(jīng)提到。

　　換用2GHz帶寬的示波器之后，我們現(xiàn)在看到的(見圖6)就是比較精確的時鐘信號，上升時間測量結果約為495ps。

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　　圖6

　　安捷倫Infiniium系列高帶寬示波器有一個優(yōu)點，那就是帶寬可以升級。如果2 GHz帶寬對今天的應用已經(jīng)足夠，那么您開始可以只購買入門級的2-GHz示波器，以后當您需要更高的帶寬時，再將其逐步升級到13 GHz。

　　模擬應用需要的示波器帶寬

　　多年之前，大多數(shù)示波器廠商就建議用戶在選擇示波器時，帶寬至少應比最大信號頻率高3倍。盡管這一“3X”準則并不適用于以時鐘速率為基礎的數(shù)字應用，但它卻仍然適用于已調(diào)RF信號測量等模擬應用。為了便于讀者理解這一三倍乘子的來歷，我們來看一個1GHz帶寬示波器的真正頻率響應。

　　圖7所示為對Agilent1-GHz帶寬示波器MSO6104A的掃頻響應測試(掃頻范圍20 MHz到 2 GHz)。

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　　圖7

　　從圖中可以看出，恰好在1 GHz處，輸入信號衰減約為1.7 dB，這還遠未超出定義示波器帶寬的-3 dB限。然而，要想精確測量模擬信號，我們只能利用示波器帶寬中衰減最小的相對平坦的那部分頻帶。對該示波器而言，在其1 GHz帶寬的大約三分之一處，輸入信號基本沒有衰減(衰減為0dB)。但并非所有示波器都具備這樣的頻響。

　　圖8所示的是對另一廠商的1.5-GHz帶寬示波器進行掃頻響應測試的結果。

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　　圖8

　　這正是一個遠非平坦頻響的例子。該示波器的頻響既不是高斯頻響也不是最大平坦頻響，反而更像“最大起伏”頻響，而且尖峰現(xiàn)象很嚴重，這會導致波形嚴重失真，不論測量的是模擬信號還是數(shù)字信號。不幸的是，示波器的帶寬規(guī)范(即輸入信號衰減為3dB的頻率)中對在其他頻率上的信號衰減或放大沒有任何規(guī)定。在這臺示波器上，即便是在示波器帶寬的五分之一處，信號也有大約1dB(10%)的衰減。因此，在這種情況下再根據(jù)3X準則選擇示波器就很不明智了。所以，在挑選示波器時，最好是選擇著名廠商的產(chǎn)品，而且要密切注意示波器頻響的相對平坦度。 本文小結

　　總的來說，對數(shù)字應用而言，示波器帶寬至少應比被測設計的最快時鐘速率快5倍。但在需要精確測量信號的邊沿速度時，則要根據(jù)信號的最大實際頻率成分來決定示波器帶寬。對模擬應用而言，示波器帶寬至少應比被測設計中的模擬信號最高頻率高3倍，但這一經(jīng)驗準則只適用于那些在低頻段上頻響相對平坦的示波器。

四、如何確定示波器帶寬?

　　帶寬被稱為示波器的第一指標，也是示波器最值錢的指標。示波器市場的劃分常以帶寬作為首要依據(jù)，工程師在選擇示波器的時候，首先要確定的也是帶寬。在銷售過程中，關于帶寬的故事也特別多。

　　通常談到的帶寬沒有特別說明是指示波器模擬前端放大器的帶寬，也就是常說的-3dB截止頻率點。 此外，還有數(shù)字帶寬，觸發(fā)帶寬的概念。

　　我們常說數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲(Capture)，觀察(View)，測量(Measurement)，分析(Analyse)和歸檔(Document)。 這五大功能組成的原理框圖如圖1所示。

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　　圖1，數(shù)字示波器的原理框圖

　　捕獲部分主要是由三顆芯片和一個電路組成，即放大器芯片，A/D芯片，存儲器芯片和觸發(fā)器電路，原理框圖如下圖2所示。被測信號首先經(jīng)過探頭和放大器及歸一化后轉換成ADC可以接收的電壓范圍，采樣和保持電路按固定采樣率將信號分割成一個個獨立的采樣電平，ADC將這些電平轉化成數(shù)字的采樣點，這些數(shù)字采樣點保存在采集存儲器里送顯示和測量分析處理。

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　　圖2，示波器捕獲電路原理框圖

　　示波器放大器的典型電路如圖3所示。這個電路在模擬電路教科書中處處可見。這種放大器可以等效為RC低通濾波器如圖4所示。 由此等效電路推導出輸出電壓和輸入電壓的關系，得出理想的幅頻特性的波特圖如圖5所示。

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　　圖3，放大器的典型電路

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　　圖4，放大器的等效電路模型

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　　圖5，放大器的理想波特圖

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　　至此，我們知道帶寬f2即輸出電壓降低到輸入電壓70.7%時的頻率點。 根據(jù)放大器的等效模型，我們可進一步推導示波器的上升時間和帶寬的關系式，即我們常提到的0.35的關系：上升時間=0.35/帶寬，推導過程如下圖6所示。 需要說明的是，0.35是基于高斯響應的理論值，實際測量系統(tǒng)中這個數(shù)值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會標明“上升時間”指標。 示波器測量出來的上升時間與真實的上升時間之間存在下面的關系式。 在對快沿信號測試中，需要通過該關系式來修正實際被測信號的上升時間。

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

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　　圖6，示波器上升時間和帶寬的關系

　　示波器前端放大器幅頻特性的波特圖是新示波器發(fā)布的“出生證”。 示波器每年需要進行校準，波特圖是第一需要校準的數(shù)據(jù)。示波器波特圖的測量方法如圖7所示。 信號源從10MHz頻率開始逐漸遞增發(fā)送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器將輸入的信號能量等分為二后通過等長的線纜分別送到示波器和功率計。 功分器和線纜是無源器件，可以嚴格定標，信號源本身的幅頻特性不可以作為定標儀器，需要通過功率計實測的能量來作為示波器的輸入幅值的定標值。 有時候客戶會對示波器的波特圖很感興趣，直接用信號源連接到示波器來評估示波器的波特圖，在帶寬超過1GHz時這種方法是很不嚴謹?shù)?。需要用功率計來作為定標工?

五、示波器探頭原理及種類詳解

　　任何使用過示波器的人都會接觸過探頭，通常我們說的示波器是用來測電壓信號的（也有測光或電流的，都是先通過相應的傳感器轉成電壓量測量），探頭的主要作用是把被測的電壓信號從測量點引到示波器進行測量。

　　大部分人會比較關注示波器本身的使用，卻忽略了探頭的選擇。實際上探頭是介于被測信號和示波器之間的中間環(huán)節(jié)，如果信號在探頭處就已經(jīng)失真了，那么示波器做的再好也沒有用。實際上探頭的設計要比示波器難得多，因為示波器內(nèi)部可以做很好的屏蔽，也不需要頻繁拆卸，而探頭除了要滿足探測的方便性的要求以外，還要保證至少和示波器一樣的帶寬，難度要大得多。因此最早高帶寬的實時示波器剛出現(xiàn)時是沒有相應的探頭的，又過了一段時間探頭才出來。

　　要選擇合適的探頭，首要的一點是要了解探頭對測試的影響，這其中包括2部分的含義：1/探頭對被測電路的影響；2/探頭造成的信號失真。理想的探頭應該是對被測電路沒有任何影響，同時對信號沒有任何失真的。遺憾的是，沒有真正的探頭能同時滿足這兩個條件，通常都需要在這兩個參數(shù)間做一些折衷。

　　為了考量探頭對測量的影響，我們通?？梢园烟筋^模型簡單等效為一個R、L、C的模型，把這個模型和我們的被測電路放在一起分析。

　　首先，探頭本身有輸入電阻。和萬用表測電壓的原理一樣，為了盡可能減少對被測電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。但由于Rprobe不可能做到無窮大，所以就會和被測電路產(chǎn)生分壓，實際測到的電壓可能不是探頭點上之前的真實電壓，這在一些電源或放大器電路的測試中會經(jīng)常遇到。為了避免探頭電阻負載造成的影響，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探頭的輸入阻抗在幾十k歐姆到幾十兆歐姆間。

　　其次，探頭本身有輸入電容。這個電容不是刻意做進去的，而是探頭的寄生電容。這個寄生電容也是影響探頭帶寬的最重要因素，因為這個電容會衰減高頻成分，把信號的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下Cprobe應該為0，但是實際做不到。一般無源探頭的輸入電容在10pf至幾百pf間，帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pf至幾pf間。

　　再其次，探頭輸入端還會受到電感的影響。探頭的輸入電阻和電容都比較好理解，探頭輸入端的電感卻經(jīng)常被忽視，尤其是在高頻測量的時候。電感來自于哪里呢？我們知道有導線就會有電感，探頭和被測電路間一定會有一段導線連接，同時信號的回流還要經(jīng)過探頭的地線。通常1mm探頭的地線會有大約1nH的電感，信號和地線越長，電感值越大。探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，當電感值太大時，在輸入信號的激勵下就有可能產(chǎn)生高頻諧振，造成信號的失真。所以高頻測試時需要嚴格控制信號和地線的長度，否則很容易產(chǎn)生振鈴。

　　在了解探頭的結構之前，需要先了解一下示波器輸入接口的結構，因為這里是連接探頭的地方，示波器的輸入接口電路和探頭共同組成了我們的探測系統(tǒng)。

　　大部分的示波器輸入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式。示波器的輸入端有1M歐姆或50歐姆的匹配電阻。示波器的探頭種類很多，但是示波器的的匹配永遠只有1M歐姆或50歐姆兩種選擇，不同種類的探頭需要不同的匹配電阻形式。

　　從電壓測量的角度來說，為了對被測電路影響小，示波器可以采用1M歐姆的高輸入阻抗，但是由于高阻抗電路的帶寬很容易受到寄生電容的影響。所以1M歐姆的輸入阻抗廣泛應用與500M帶寬以下的測量。對于更高頻率的測量，通常采用50歐姆的傳輸線，所以示波器的50歐姆匹配主要用于高頻測量。

　　傳統(tǒng)上來說，市面上100MHz帶寬以下的示波器大部分只有1M歐姆輸入，因為不會用于高頻測量；100MHz～1GHz帶寬的示波器大部分有1M歐姆和50歐姆的切換選擇，同時兼顧高低頻測量；2GHz或更高帶寬的示波器由于主要用于高頻測量，所以大部分只有50歐姆輸入。不過隨著市場的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1M歐姆和50歐姆的輸入切換。

　　廣義的意義上說，測試電纜也屬于一種探頭，比如BNC或SMA電纜，而且這種探頭既便宜性能又高。但是使用測試電纜連接時需要在被測電路上也有BNC或SMA的接口，所以應用場合有限，主要用于射頻和微波信號測試。對于數(shù)字或通用信號的測試，還是需要專門的探頭。

　　示波器的探頭按是否需要供電可以分為無源探頭和有源探頭，按測量的信號類型可以分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。所謂的無源探頭，是指整個探頭都由無源器件構成，包括電阻、電容、電纜等；而有源探頭內(nèi)部一般有放大 器，放大器是需要供電的，所以叫有源探頭。

　　無源探頭根據(jù)輸入阻抗的大小又分為高阻無源探頭和低阻無源探頭兩種。

　　高阻無源探頭即我們通常所說的無源探頭，應用最為廣泛，基本上每個使用過示波器的人都接觸過這種探頭。高阻無源探頭和示波器相連時，要求示波器端的輸入阻抗是1M歐姆。以下是一個10：1 高阻無源探頭的原理框圖。

　　為了方便測量，探頭通常都會有1米左右的長度，如果不加匹配電路，很難想象探頭能夠提供數(shù)百兆Hz的帶寬的。示波器的輸入寄生電容也會影響帶寬。為了改善探頭的高頻相應，探頭前端會有相應的匹配電路，最典型的就是一個Rprobe和Cprobe的并聯(lián)結構。探頭要在帶內(nèi)產(chǎn)生平坦增益的一個條件是要滿足Rprobe*Cprobe=Rscope*Cscope，具體推導就不做了，感興趣的可以自己推一下。我們前面介紹過，Cscope是示波器的寄生電容，所以其只能控制在一定范圍內(nèi)，但不能精確控制，也就是說不同示波器或示波器的不同通道間Cscope的值會不太一樣。為了補償不同通道Cscope的變化，在探頭接示波器的一端處一般至少會有一個可調(diào)電容Ccomp。當探頭接在不同通道上時可以通過調(diào)整Ccomp來補償Cscope的變化。幾乎所有示波器都提供一個低頻方波的輸出，可以通過用探頭測量這個方波的形狀來做調(diào)整。

　　Rprobe在改善頻響的同時會和示波器輸入電阻產(chǎn)生一個分壓，所謂10：1的分壓就是指示波器實際測量到的電壓是探頭前端處電壓的1/10，也就是信號經(jīng)過探頭會有一個10倍衰減。比較簡單的探頭需要手工設置示波器的探頭衰減倍數(shù)來得到正確的顯示，更多的探頭在和示波器連接端有一個自動檢測的針腳，當探頭插上時示波器可以通過這個pin讀出探頭的衰減比，并自動調(diào)整顯示的比例。

　　高阻無源探頭中還有2個特殊的種類。一類是高壓探頭，其衰減比可達100:1或1000:1，所以測量電壓范圍很大；還有一類是1:1的探頭，即信號沒有衰減就進入示波器，由于不象10：1的探頭那樣需要示波器再放大顯示，所以示波器本身的噪聲沒有放大，測量的噪聲會小很多，在小信號和電源紋波的測量場合應用很多。

　　高阻無源探頭的優(yōu)點是便宜，因為成本不高，同時輸入阻抗高，測量范圍大，連接方便，所以廣泛應用于通用測試場合。但是隨著測試頻率的提高，各種二階寄生參數(shù)很難控制，僅僅靠簡單的匹配電路已經(jīng)不能把帶寬再提高了，所以高阻無源探頭的帶寬一般都在600MHz以下。

　　另一種無源探頭是低阻無源探頭，這是最不常用的一種探頭，但有其自身的特點。以下是這種探頭的原理框圖。

　　低阻無源探頭要求示波器的輸入阻抗為50 歐姆，前端等效串了一個分壓電阻。根據(jù)串阻阻值的不同，可以實現(xiàn)不同的分壓比，比如串個450 歐姆的電阻就是10：1 的分壓。由于采用50 歐姆的傳輸電纜，示波器端也是50 歐姆的匹配，所以整個探頭的帶寬比較高。如Agilent 的54006A 探頭帶寬可以達6GHz。

　　但是由于探頭的輸入阻抗低（只有500 歐姆或 1k 歐姆），測試中如果并在電路里還是可能對被測信號產(chǎn)生一點影響的，特別對高輸出阻抗的電路，因此應用不是特別廣泛。

　　低阻無源探頭的最大好處是以接近普通高阻無源探頭的價格提供了比較高的測試帶寬（1G～6GHz），缺點主要是輸入阻抗低。

　　前面我們介紹過高阻無源探頭的輸入阻抗高，但帶寬做不高，低阻無源探頭帶寬可以做高但輸入阻抗不高。那么能不能有一種探頭輸入阻抗又高帶寬又高呢？實際上是有的，這種探頭就是有源探頭。

　　其實有源探頭也是個廣泛的說法，是指需要供電的探頭。應用比較廣泛的有源電壓探頭的原理如下。

　　有源探頭的前端有一個高帶寬的放大器，放大器是需要供電的，這也是有源探頭名稱的由來。我們知道放大器的輸入阻抗都是比較高的，所以有源探頭可以提供比較高的輸入阻抗；同時放大器的輸出驅(qū)動能力又很強，所以可以直接驅(qū)動后面50 歐姆的負載和傳輸線。由于50 歐姆的傳輸線可以提供很高的傳輸帶寬，再加上放大器本身帶寬較高，所以整個探頭系統(tǒng)相比無源探頭就可以提供更高帶寬。

　　我們可以看到有源探頭的所有優(yōu)異特性都是由其前端的放大器帶來的，但是這個高帶寬的放大器造價很高，而且又要放在探頭前端有限的空間內(nèi)，因此實現(xiàn)成本很高。一般無源探頭的價格都是幾百美金左右，而有源探頭的價格普遍在幾千美金量級，所以有源探頭一般用在需要高的測量帶寬的場合。

　　但是有源探頭也不是沒有缺點，限制有源探頭廣泛應用的除了價格因素外，另外一個原因在于其有限的動態(tài)范圍。我們知道象這種高帶寬放大器的輸入電壓范圍是不可能很大的，所以它不可能象無源探頭有那么大的測量范圍。一般常用的10：1的無源探頭的動態(tài)范圍普遍在幾百伏，而一般有源探頭的典型動態(tài)范圍都在幾伏左右，所以應用場合會有一些限制。

　　有源探頭里還有一個分支是差分有源探頭，區(qū)別在于其前端的放大器是差分放大器。差分放大器的好處是可以直接測試高速的差分信號，同時其共模抑制比高，對共模噪聲的抑制能力比較好。

　　還有一種有源探頭是電流探頭，電流探頭使的前端有一個磁環(huán)，使用時這個磁環(huán)套在被測的供電線上。由于電流流過電線所產(chǎn)生的磁場就被這個磁環(huán)收集到，磁通量和電線上流過的電流成正比。磁環(huán)內(nèi)部有一個霍爾傳感器，可以檢測磁通量，其輸出電壓和磁通量成正比。因此，電流探頭的輸出電壓就和被測電線上流過的電流成正比。典型電流探頭的轉換系數(shù)是0.1V/A 或 0.01V/A。

　　電流探頭的主要好處是不用斷開供電線就可以進行電流測量，同時由于其基于霍爾效應，所以即可以進行直流測量，也可以用于交流測量。電流探頭的典型應用場合是系統(tǒng)功率測量、功率因子測量、開關機沖擊電流波形測量等。電流探頭的主要缺點在于其小電流的測量能力受限于示波器的底噪聲，所以小電流測量能力有限。一般小于10mA 的電流就很難測量到了。（完）