测试测量关键基础之示波器（一）

　　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。