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细节不注意,再贵的示波器也测不准高速信号

eefocus ·2020-09-09 00:00·电子工程世界
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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。

下图为×1 探头的模型:

图 7 ×1 探头模型图

由于探头一定要有一段线,否则将不方便测量,而且线的长度一般都会超过 1 米。这导致了其寄生电容非常大,大约为 100pF 左右。在测量高频信号时会产生了很大的负载效应。我们再来看一下×10 的探头模型:

图 8 ×10 探头模型图

可以看出,×10 探头的输入电容 Cin 是 10pF 与后面电容的串联,按电容串联公式计算可知,Cin 一定是小于 10pF 的,远小于×1 探头的输入电容,且 Rin 已经增加到 10MΩ。所以×10 探头就有更小的寄生电容,更高的输入电阻,从而大大减小了探头的负载效应。

所以测量高速信号时,需要选择×10 或者更高衰输入阻抗的探头。

三、接地方式的选择

传统的使用习惯上,示波器的接地方式就是那根长长的接地夹线。这种接地方式,确实是一种简单方便的接地方式,但是却并不是一种严谨的、准确的接地方式。

图 9 接地夹线示意图

由于地夹线比较长,其会形成一个寄生电感 Lgnd,随着夹线的增长,这个电感也会增大,而这个回路电感会和示波器探头的输入电容 Cin 产生谐振。这就导致示波器的幅频特性变得不平坦,导致测量不准确。下图为使用接地夹时的等效电路。

图 10 接地夹线等效电路图

下图为用该等效电路仿真出的频谱特性曲线:

图 11 频谱特性曲线图

可以看出,在 60MHz 以上的频率,幅度已经产生了超过 3dB 的过冲,而到达 100M 左右时,过冲到最大幅度。所以如果采用地夹,测量超过 60MHz 的信号就会产生比较大的失真。正确的方式应该是采用接地弹簧。接地弹簧具有非常小的电感,可以大大提升探头的带宽。

图 12 接地弹簧示意图

四、测量位置选择

对于高频信号而言,PCB 走线已经不能简单当做短路线来处理,而是需要考虑到线路上的传播延时、信号反射等方面的影响。传统低速信号之所以可以不考虑 PCB 走线的影响,是因为其波长较长,PCB 走线的长度可以忽略不计,从而当成集中元件来处理。但是高频信号的波长较短,PCB 走线的长度已经不可能再被忽略,信号也必须从波的角度去考虑。下图为同一信号在源端和终端测量到的波形:

图 13 不同位置测量差别图

之所以会这样,是因为电信号在 PCB 上是向波一样进行传输。其传播速度一般是光速的一半。所以会造成信号在 PCB 上传播会发生延时,且会根据特性阻抗的变化而产生反射。上图中信号的终端设备并没有进行端接,所以当信号来到终端时会产生一个反射的波,反射回源端,再经过 PCB 上的延时,反射波和发射信号发生叠加,从而产生源端位置的波形。同理,不只是源端,在整个传输线上,发射信号与反射信号都会发生叠加,差别在于彼此的相位差不同,叠加波形也不同。

可以看出测量点位置的选择,会导致测量结果的巨大差异。所以测量高速信号时,测量位置离终端设备越近越好,这样才能真实的测量出终端设备接受到的信号是怎样的波形。

总结

本文中指出了一些测量高速信号的一些注意事项,归纳如下:

1、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。

2、测量高速信号时,需要选择×10 或者更高输入阻抗的探头。

3、接地方式的选择,应该尽可能的降低接地回路电感,如使用接地弹簧。这样才能真正发挥测量系统的带宽。

4、测量高速信号时,测量位置离终端设备越近越好,这样才能真实的测量出终端设备接受到的是怎么样的信号。

以上就是本文的主要内容。ZDS4054 Plus 示波器具有 500MHz 带宽,可以真实测量 100MHz 的方波信号,配合探头可以实现 9pF 的输入电容,大大降低测量负载效应,可以很好的测量大多数高速信号。

关键字: 示波器 高速信号 编辑:什么鱼 引用地址: http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic509521.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
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