想要捕获高速信号该怎样选择示波器探头呢？

在高速传输数据时，示波器探头与被测电路的接触会产生寄生效应，导致被测波形严重异常。此外，探头还可能增加电路负载，导致信号发生显著变化或损坏。因此，充分了解示波器探头对被测电路和被测波形的影响将显著改善测量结果。

示波器探头输入阻抗

示波器设计师在提高取样率、带宽和精度方面取得了巨大进展。为了使示波器在特定应用程序中达到最佳性能，必须仔细选择和操作探头。但事实上，附件的重要性往往被忽视。探头是被测电路与示波器之间的主要连接工具。它不仅会影响测量结果，还会影响被测电路的工作。

当探头与被测电路连接时，相当于在电路上增加一个负载。探头负载会消耗额外的信号源电流，改变测试点后电路的工作状态，从而改变测量信号。

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。

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。

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 4)。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 4. 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 5)。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。

下图中的示例描述了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5 (上图)25-Ω 系统中 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。

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 4)。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 6)。

图 6. 探头的最短上升时间会影响测量结果。

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7)。

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 7. 高斯传输响应与 Keysight 1158A 探头迅速衰减响应的对比。

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。

以上就是关于如何选择示波器探头来捕获高速信号，如您使用中还有其他问题，欢迎登录西安普科电子科技。