如何选择示波器探头来捕获高速信号
本文介绍了如何选择示波器探头来捕获高速信号：
随着硅器件处理能力的大幅提升，无论是设计计算机系统、新一代半导体产品还是通讯系统， 工程师们都要应对日益提高的信号速率。为使高速器件更高效地处理数据，他们通过不懈努 力，发明了可以增加外部总线带宽的技术，能够在电路板器件之间通过背板或电缆传输大量 数据。
提高信号频率是一种增加总线带宽的方法。因为提高信号频率能够减少数字信号的上升时间。性能较差的示波器探头会导致这些具有迅速上升时间的信号的测量波形上出现过冲和振铃。 工程师们必须确定设计中是否包含这些异常因素，以及是否由测量系统引起。
在高速传输数据时，示波器探头与被测电路接触会引起寄生效应，从而导致被测波形出现严重异常。此外，探头还有可能给电路增加负载，导致信号发生显著变化或破坏。所以，充分了解示波器探头对被测电路和被测波形有何影响，将会明显改进测量结果。
示波器探头输入阻抗
示波器设计师们已在提高采样率、带宽和精度方面取得了巨大进步。为了使示波器在特定应用中达到最佳使用性能，必须谨慎选择和操作探头。但实际上经常会忽视附件的重要性。探头是被测电路和示波器之间的主要连接工具。它即能影响测量结果，也会影响到被测电路的工作。
当探头与被测电路连接时，相当于在该电路上添加了一个负载。该探头负载会消耗额外的信号源电流，改变测试点之后的电路的工作情况，从而使测量信号发生变化。
若要获得精确的测量结果，探头必须捕获信号并提供最真实的信号显示，在其频率范围内不能增添额外的负载，或使信号源发生变化。实际上，所有的探头都会给被测电路添加一个复杂的负载（见图 1）。因此，选择探头时要将该负载值限制在可以接受的范围之内。
探头技术指标列出了输入阻抗和电容。这两者结合，可以改变被测电路并给其添加负载。电容器在低频工作时，相当于一个开路电路，此时直流电阻成为形成电路负载的主要因素。电阻负载是探头负载中影响最小的因素，因为它不会产生非线性的电路特性。
虽然低阻抗探头泄漏的电流过多会引起非线性响应或中断电路工作，但目前使用的低压、高速信号探头已基本上解决了这个问题。例如 Keysight In?niiMax 探头、N2795A/96A 或 1156A/57A/58A。
图 1. 示波器探头的简易输入阻抗模型（包含电阻、电容和电感分量）。
示波器探头输入阻抗
假设信号源阻抗是电阻，探头的电阻分量会形成分压器（由电路输出阻抗和探头输入阻抗组成），这可以降低测量信号的电压幅度但不改变其形状（见图 2）。探头电阻相对于信号源阻抗越小，探头负载所减少的测量波形电压幅度就越多。此外，探头阻抗相对于电路阻抗越小，流入探头的电流就越大，对电路产生不良影响的几率就越高。
当信号频率提高或边沿速度降低时，探头电容的特性就相当于一个短路电路，使电流流入低阻抗探头。在信号的高频阶段，电容电抗是产生电路负载的主要因素，可能会引起电路故障，因为此时电路不能驱动足够的电压裕量。
电容负载是导致探头相关测量误差的主要根源，因为它会影响上升和下降时间、带宽以及边沿到边沿时间的测量结果。电容负载可以通过引发指数响应（图 3）来改变测量波形的形状，从而消除毛刺、减少振铃和过冲，或减缓测量边沿速度，使其恰好可以用来完成建立保持时间的违规设置。
图 2. 电阻负载降低测量信号的幅度但未改变其形状。
图 3. 电容负载通过引发指数响应改变测量信号波形。
图 4 显示了高达 6 GHz 的 Keysight 1158A 探头输入阻抗。您可以看到在 1-MHz 以下的低频阶段中，探头输入阻抗主要由探头直流电阻分量决定（100 kΩ）。随着信号频率的提高，电容电抗逐渐成为影响电路负载的主要分量。在 2-GHz 时，Keysight 1158A 的阻抗达到最低水平 165-Ω，此值由探针电阻器决定。
我们可以用 25-Ω 信号源生成的具有超快速边沿的数字信号为例（见图 5），说明这些探头因素如何影响测量波形和被测电路。您可以看到，当探头连接被测电路时，信号波形因探头输入阻抗而改变。
电感负载在测量信号中以振铃形式出现（见图 6）。产生振铃的信号源为 LC 电路，由探头内部电容以及接地引线和探针的电感组成。通常在进行任何类型的示波器测量时， 都应选用尽量短的接地引线。这样能够减少电感，而且可以将振铃频率移至示波器和探头带宽之外，从而尽量减少对测量的影响。
图 4. 增加频率可以改变 Keysight 1158A 探头的输入阻抗。
图 5. 探头在高频条件下造成电路负载并且延长电路产生全电压的时间。
探头传输响应
影响探头输入阻抗并使探头传输响应发生变化的寄生参数，通常被称为探头的传输响应。这种传输响应定义为探头输出电压与探头输入电压的比率（Vout/Vin-），通常用幅度（dB）/ 频率图形来显示。
在传输响应低于 -3dB 或幅度降至 70.7% 时，探头带宽为连续频段（图 -6）。在探头带宽之外的频率上，信号幅度将过度衰减，并且使测量结果难以预测。
图 6. 带宽是指当仪器的传输响应降低 3 dB 时的连续频段。
在探头带宽范围内，您可以看到探头输出信号与探针输入信号非常相符，偏差最小，因此您在示波器屏幕上看到的波形就是探针输入端的信号。
在频域中，探头在尽量减少对信号的影响的条件下从输入端到输出端传输信号的能力， 表现为在整个探头带宽内传输响应都非常平坦（0-dB）。但是在实际条件下这很难实现。当探头与被测电路连接后，物理连接的寄生效应和探头内部元件能够形成谐振电路，其谐振频率低于探头带宽（图 -7）。该带内谐振将引起探头输出信号与输入信号产生差异， 并以过冲和振铃形式在测量波形上显示。
图 7 中的示例描述了非是德科技的 4-GHz 探头的输入电压（V 输入）上的带内阻抗。请注意，此时探头的输出电压（V 输出）与输入电压不相符。输出电压保持平坦，而探头传输响应（V 输出 /V 输入）达到 5-dB 的峰值。
图 7. （上图）25-Ω 系统中非是德科技 4 GHz 探头的输入电压和输出电压的频率响应。（下图） 探头的传输响应。输入电压谐振低至 3.5-GHz 时，输出电压保持平坦，传输响应达到 5-dB 的峰值。
那么当输入电压谐振时输出电压保持平坦存在什么问题呢？难道这不是与未连接探头时的信号情况相同吗？这个问题问的好，但是请记住探头传输响应将一直处于 5-dB 的峰值，会导致输入信号失真，并且在测量波形中显示额外的过冲和振铃。
图 -8 的测量是在两端端接 50-Ω 负载的传输线的中点进行的，信号源电阻显示为25-Ω，并且探头响应与该类电路匹配。如果正在测量的电路不能提供理想的 25-Ω 信号源电阻，您将会看到探头引起的信号失真。
可以通过实例对此类失真进行更好的解释说明。假如使用 100-kΩ 探头来测量具有100-kΩ 信号源电阻的电路的电压，并且该探头的传输响应已针对这种类型的电路进行了修改，可以显示出探头“实际”输出电压。因此，当您将探头连接到电路上，并将输入电压降低一半时，测量波形就像未连接探头时一样显示全电压幅度。
但是，当探头与具有 50-kΩ 信号源电阻的电路连接会发生什么情况呢？探头的传输响应仍然会改变测量波形，显示的波形电压比探头输入端的实际电压高 33%。
最佳的探头可以保证对被测电路的影响最小，并且从输入端到输出端传输的电压失真最小。这样您就可以观察探针处的信号。
Keysight 1156A/57A/58A 探头通过在紧邻被测点处安装一个电阻器，解决了此类问题。在探针上安装电阻可以隔离探头寄生效应对被测电路的影响，并抑制谐振电路的形成。这样可以使探头传输响应（V 输出 /V 输入）在高达 4-GHz 的整个带宽内保持平坦（图- 8）。
通常，如果需要进行精确的上升时间测量，应选用尽量短的接地引线。
图 8. （上图）Keysight 1158A 4 GHz 探头输入电压和输出电压的频率响应。（下图）由于输出电压的频率响应与输入电压非常相符，但探头传输响应在探头整个 4 GHz 带宽内保持平坦。
探头附件
由于探测电路存在一定的探测难点，所以并非每次都可以将探头与信号和地面直接相连。因此我们经常会看到在电路上焊接有一小段电线，旨在方便探头与信号和地面连接。但是，这些电线会产生更多的寄生效应，显著改变探头的传输响应，从而引发测量波形出现过冲和振铃（图 -9）。通常，利用电线扩大探头的探测范围时，每英寸电线会产生高达 25-nH 的电感施加到探头等效电路中。
那么如何测试那些在电路板上但是探头无法探测到的信号呢？
大多数高性能探头都提供了可进行物理连接但电气特性不适合传输高保真信号的附件。
是德科技深知，探头及其附件是一套相辅相成、缺一不可的测量系统。因此，Keysight 1156A/57A/58A 探头提供了多种附件，帮助您实现这些难以进行的连接，并经过恰当地电气性能控制，从而优化测量性能。为了便于您在选择适用于物理连接的测量带宽时做出明智选择，是德科技已经描述了 1156A/57A/58A 附件的特性，并且提供了适用的探头信息。
图 9. 在 66 MHz/500-ps 时钟上进行测量。（上图）普通 5-cm 线与被测信号相连造成测量波形出现过冲和振铃。（下图） 恰当阻尼的 5-cm 电阻信号线可帮助探头进入狭小空间进行探测，不会给测量波形带来失真。
探头附件
例如：Keysight 1156A/57A/58A 探头提供了 5-cm 和 10-cm 电阻信号引线，用于帮助探头在狭小空间进行探测（图 -10）。这些信号引线包含电阻探针，可以使探头寄生效应和被测电路隔开，并抑制谐振电路的形成。
这样可使得探测系统的整个带宽范围内保持平坦的传输响应（图 -11）。最终，您可以在难以达到的测量点对信号进行测量，并且不会将额外的过冲、振铃以及其他失真引入测量波形！
请牢记，必须使用尽量短的接地引线。当接地引线与探头连接时，在探头返回路径中会产生电感，这在探头中是不能补偿的。额外的电感会改变探头的传输响应并导致测量波形失真。
图 10. 用 Keysight 1156A/57A/58A 探头进行探测并对附件进行恰当阻尼以提高测量可靠性。
图 11. 虽然用 Keysight 1158A 探头的 5-cm 电阻信号引线进行探测会减少测量带宽，但是传输响应保持平坦并且不会引起测量波形失真。
带宽和上升时间注意事项
在选择示波器和探头时，必须了解带宽极限值，因为它们有可能影响测量精度。带宽是指测量系统的传输响应引起输出电压幅度从参考电平降低 -3-dB（70.7%）时的频率（图 -6）。那么您的示波器和探头需要的带宽是多少呢？
通过连续正弦波传输的信号由单一频率分量组成，即基础频率。正弦波频率越接近测量系统的带宽极限值，测量幅度衰减的越多。在系统带宽范围内，预计测量正弦波的幅度有 30% 的错误。因此在进行精确幅度测量时，您应该选择基本带宽是信号基础频率 3 倍的示波器和探头。
与只包含单一频率分量的正弦信号不同，数字信号在多个频率上包含广泛的频谱分量， 以形成具有快速边沿速度的方波。对于数字信号，频谱内容主要由边沿速度来确定，而不是取决于信号重复率。对数字信号边沿频率的保守估计为：
F = 0.5/（上升时间）
通常，估计的频率稍高于实际频率。
数字信号还具有非常大的 3 阶和 5 阶频率谐波。这些高频分量的衰减将导致上升时间和下降时间测量结果慢于实际时间。因此，为了提高上升时间和下降时间测量的精度，您应该选择带宽是数字信号上升时间频率三倍或五倍的示波器和探头。
带宽和上升时间注意事项
既然我们知道了准确捕获信号的带宽要求，那么如何确定示波器和探头的系统带宽呢？
所有类型的探头都有带宽极限值，因此存在一个可以通过探头的固有最短信号上升时间， 该时间可以通过下列公式来计算：
上升时间 = 0.35/ 带宽
上升时间是指波形从最终值的 10% 转变为 90% 时所需要的时间。探头的最短上升时间和下降时间（在探头特性中有详细说明）表示当输入信号为上升时间等于零的阶跃信号时，探头输出信号的上升时间和下降时间。通过观察 Keysight 1158A 探头输入和输出信号可以看到这一点（图 12）。
图 12. 探头的最短上升时间会影响测量结果。
Bandwidth and Rise Time Considerations
示波器还会有独立的带宽和上升时间极限值。通常认为示波器和探头的带宽大小应该相等。但是，示波器带宽和探头带宽的关系并非如此简单。
示波器和探头组成测量系统，该系统的传输响应将包含探头传输响应和示波器传输响应。这些响应组合将决定测量系统的上升时间和带宽，通常可由以下公式计算得出：
这些公式适用于计算示波器和探头响应按照高斯定律衰减时的系统带宽和上升时间（图 -13）。
如果该响应不符合高斯定律，您必须更深入地查看探头响应，从而获悉信号如何从探针传输到示波器输入端。只要探头响应平坦，即 Vout/Vin = 0-dB，传输到示波器输入端的信号就与探针输入信号完全相同。
图 13. 高斯传输响应与 Keysight 1158A 探头迅速衰减响应的对比。
带宽和上升时间注意事项
是德科技秉承实现最大响应平坦度的理念开发了 1156A/57A/58A 探头。图 -14 显示了这些探头的传输响应。
图 14. Keysight 1156A（1.5-GHz）、1157A（2.5-GHz）和 1158A（4-GHz）探头的传输响应。
有关其他更高带宽型号的信息，请登录 Keysight Home，查找推荐的有源探头。
表 1. 推荐的配置可以最大限度提高测量系统的带宽。
表 -1 提供了推荐用于 In?niium 示波器，实现最大测量系统带宽的探头的相关信息。您将注意到由于探头的传输响应在 In?niium 示波器的整个带宽范围内保持平坦状态，所以它不会降低系统带宽。
结论
随着电子设备的频率不断提高，选择适合的示波器探头成为决定测量结果和被测电路工作的关键因素。
在选择新探头时需要考虑以下因素：
- 检查探头输入阻抗并考虑其对电路的影响。在高频下负载具有越来越重要的影响，请务必使用尽量短的接地引线。
- 探头在整个带宽内应具有平坦的传输响应，否则会引起测量结果失真。平坦的传输响应可以保证探头输出信号与探针输入信号完全相符，并将其完整地传输到示波器。
- 最佳测量结果取决于探头和连接，所以明智地选择和恰当地使用探头阻尼附件可以改善测量结果的精度及可重复性。
- 示波器和探头共同工作形成完整的测量系统。充分了解探头对整个系统带宽的影响， 可以帮助您更胸有成竹地选择最适合自身应用的示波器和探头。
最佳的探头可以保证对被测电路的影响最小，并且从输入端到输出端传输的电压失真最小。Keysight 1156A/57A/58A 探头提供领先的性能，能够对高速电路进行最精确的分析。示波器 | Keysight最佳的探头可以保证对被测电路的影响最小，并且从输入端到输出端传输的电压失真最小。Keysight 1156A/57A/58A 探头提供领先的性能，能够对高速电路进行最精确的分析。