示波器的作用和工作原理解析

第一部分 示波器的介绍

示波器的作用

示波器属于通用的仪器，任一个硬件工程师都应该了解示波器的工作原理并能够熟练使用示波器，掌握示波器是对每个硬件工程师的基本要求。

示波器是用来显示波形的仪器，显示的是信号电压随时间的变化。因此，示波器可以用来测量信号的频率，周期，信号的上升沿/下降沿，信号的过冲，信号的噪声，信号间的时序关系等等。

在示波器显示屏上，横坐标（X）代表时间，纵坐标（Y）代表电压，（注，如果示波器有测量电流的功能，纵坐标还代表电流。）还有就是比较少被关注的-亮度（Z），在TEK的DPO示波器中，亮度还表示了出现概率（它用16阶灰度来表示出现概率）。

第二部分  示波器的分类

示波器一般分为模拟示波器和数字示波器；在很多情况下，模拟示波器和数字示波器都可以用来测试，不过我们一般使用模拟示波器测试那些要求实时显示并且变化很快的信号，或者很复杂的信号。而使用数字示波器来显示周期性相对来说比较强的信号，另外由于是数字信号，数字示波器内置的CPU或者专门的数字信号处理器可以处理分析信号，并可以保存波形等，对分析处理有很大的方便。 

1、模拟示波器

模拟示波器使用电子枪扫描示波器的屏幕，偏转电压使电子束从上到下均匀扫描，将波形显示到屏幕上，它的优点在于实时显示图像。

模拟示波器的原理框图如下：

见上图所示，被测试信号经过垂直系统处理（比如衰减或放大，即我们拧垂直按钮－volts/div），然后送到垂直偏转控制中去。而触发系统会根据触发设置情况，控制产生水平扫描电压（锯齿波），送到水平偏转控制中。

信号到达触发系统，开始或者触发“水平扫描”，水平扫描是一个是锯齿波，使亮点在水平方向扫描。触发水平系统产生一个水平时基，使亮点在一个精确的时间内从屏幕的左边扫描到右边。在快速扫描过程中，将会使亮点的运动看起来象一条平滑的曲线。而信号电压加到垂直偏转电压的电极上，效果也是产生了一个移动的亮点，电压为正将使点向上移动，电压为负则向下移动，水平偏转和垂直偏转电压配合在一起，就能够在屏幕上显示信号的波形。在比较高的速度上，亮点能够扫描过屏幕达50,0000次/秒，目前最好的通用示波器也不过每秒捕捉40,0000个波形，因此说模拟示波器比数字示波器的实时性要高，是有货真价实的。

水平扫描和垂直偏转能使信号的波形图像能够显示到屏幕上，不过触发系统也是必不可少的，它不仅仅是让你抓到你需要的波形，还能够使图像稳定地显示到屏幕上，它能使重复的波形能够在同一个点开始扫描，在屏幕显示一个干净和稳定的图像。下图显示了没有触发和触发的波形：没有触发的波形比较乱和在闪动，不稳定，而触发的波形则非常的稳定和干净。

一般来说，使用一个模拟示波器，我们主要需要调整三个基本方面，也就是上面说的三个部分：

信号的衰减或者放大情况：使用volts/div旋钮，可以调整信号在屏幕的范围里面，垂直大小合适。

时基：使用sec/div旋钮，调整每格代表的时间间隔，可以使信号在水平方向放大或者缩小。

触发系统：可以调整触发电平，能够使波形稳定显示，或者寻找到我们需要的波形。

当然，调整亮点的大小和亮底，可以使波形显示达到最佳的显示效果。

2、数字示波器

一个数字示波器对波形进行采样，并用AD转换器将模拟图像转换为数字波形，最后将波形重现到屏幕上面。

数字示波器的原理图如下：

当我们将探头接到线路上面时，垂直系统控制调整信号的衰减和放大，这个和模拟示波器一样。接着，在采样系统中对信号进行模－数转换（ADC），连续的模拟信号变成了离散的点。水平系统的时基决定了采样率的水平。比如我们的TDS5054的最大采样速率为5GSa/s，说明它最快的情况下能够在每秒钟采样5G个点。经过采样量化的点被存到存储器里面，并拼成波形图。

在数字示波器中，存储波形点的长度，通常称为存储长度。由于处理要求非常快，这些存储器不是通用的SDRAM，而是专用的高速存储器，价格比较贵，因此比较便宜的示波器都使用标准配置。触发系统决定了保存点的开始和结束点的位置。存储器里面的波形最后传送到显示系统中进行显示。

为了增强示波器的综合能力，数据处理是必须的。另外预触发能够让我们能够看到触发前的波形情况。

和模拟示波器一样，使用数字示波器来测试，也需要调整垂直幅度、水平时间间隔和触发设置。

第三部分 采样方法

对于比较慢的信号，示波器能够采到足够的采样点来显示波形，而对于比较快的信号（这里的快慢是针对示波器的采样频率来讲的），示波器不能够采到足够的采样点来显示波形。因此，示波器采样一般采用两种方法来对信号采样，一是实时采样，二是等效采样。

1．实时采样：

一次按照顺序来采集采样点，然后采用计算方法内插一些数据，内插技术是评估用一些点来组成波形是否和原来的图像的靠近程度，一般的内插技术（waveform interpolation）有线性和sin(x)/x两种。

如果没有特别表明的情况下，示波器给出的采样速率都是实时采样速率，也就是一次采样的速率。

实时采样示意图如上面所示，它在一次采样中采尽量多的点，而且都是顺序采样的。由于采样得到的点是离散的点，而我们显示一般情况下都是显示波形曲线（当然也可以用点显示模式，但是很少用），这就涉及到一个内插的问题，将点还原为曲线，一般有两种方法：直线连接和曲线模拟，曲线模拟主要使用正弦曲线做拟合，效果分别见下面所示。

2．等效采样：

每个周期采样一些点，经过多个周期后将这些点拼起来，就是一个完整的图，不过这要求波形是周期性的，否则误差会比较大。等效采样有两种方式：一种是随机采样，另外一种是顺序采样。

对于那些快速信号，实时采样可能一次采不到足够的点，于是就要采用等效采样，等效采样只对那些周期性的信号有意义。等效采样有两种，一种是随机采样，另外一种是顺序采样，随机的示意图如下：

由于是周期性的信号，信号在每个周期都是一样的，随机采样就将整个波形分开采样，随机采集信号，经过数个周期，就能够将一个完整的波形采集完毕，将这些采集点拼起来，就是一个完整的波形了。而顺序采样，就是按照顺序来，第一次采1、2、3点，第二次采4、5、6点等，直到将整个波形采集完毕。

无论是哪种等效采样方式，它们的结果就是提高采样能力，比如一个实时采样的速率为1GSa/s的示波器，它使用等效采样的方式来采样，每次都用最高的实时采样速率采集数据，花了10次才将一个波形周期采集完毕，那么它的等效采样速率就是10GSa/s，即提高到了10倍。

对于实时采样，主要表示了单次波形的采集能力，而等效采样，主要用于周期性的信号的采样。比如TDS784的实时采样速率为4GSa/s，而等效采样速率则高达250GSa/s。

第四部分 示波器的操作与控制

示波器的主要是三个部分，垂直控制、水平控制和触发控制，除此外，很多数字示波器都提供了“软键”（soft key）控制，通过在示波器的屏幕周围排放一些键，对于屏幕里面的菜单，这些键在不同的菜单中对应不同的项目，因此定义不固定，故称之为“软键”。因为有了“软键”，很多功能都可以做了进去，比如波形参数的测试、高级触发方式等。

下图是Agilent的54800系列的控制面板示意图，它主要分为三个区，水平控制区、垂直控制区和触发控制区，此外还有一些其他的设置，包括保存和输入输出的的部件等。水平控制可以调整时基的大小，也就是间隔的大小，示波器中，只有一个水平控制钮，调整它，所有通道的时间间隔都会变。垂直控制区，在这里是每个通道都有一个，不过有的示波器为了节省面板面积，有时候所有通道共用一个垂直控制钮，通过另外的按键去选择通道。有关这些细节，实践一下马上有印象了，这里不做更多的描述。最后一个是触发，这是示波器比较关键的部分，因为数字示波器比起模拟示波器，触发的多样性是它的一大特点，有关触发在下一节详细描述。

第五部分 示波器的触发

示波器的触发，相对来说，里面的玄机就多一点。我们最常使用的是边沿触发，比如上升沿触发或者下降沿触发。

一般示波器的主要触发有：

作为熟练的硬件工程师，除了最常用的边沿触发模式外，还应该掌握脉冲触发中的毛刺触发、矮电平触发、脉冲宽度触发，以及单次触发等，另外如果需要测试时序的话，掌握逻辑触发也是很有用的。

下面以 TDS5054为例，介绍一下脉冲触发方式。高级的触发设置在触发的菜单中。点击菜单中TRIG，在下拉菜单中选择EDGE　SETUP，进入如下设置界面。

1、毛刺Glith触发：

选择了毛刺触发后，就可以在右边选择毛刺触发的类型和宽度，还可以设置电平等。

2、矮电平Runt触发

2-5-3 矮电平触发设置－上下界线设置示意图

设置完毕就可以开始进行测试，见上图。

3、脉冲宽度Width触发

在选择了宽度width后，在下边选项Polarity选择脉冲极性，然后在脉冲宽度选项Trig When 中选择触发类型（超出设置值还是小于设置值）和设置数值，见下图，再设定电平，设置完毕就可以开始测试了。

图 2-5-4

上面几种触发，在测试总线和控制信号的异常情况方面，比较有用。

4、单次触发

单次触发并非一个独立的触发方式，它和其他方式一起使用，只是其他方式可以进行多次的触发，而单次触发只会触发一次就停止了，并将信号显示出来，比如对于上电的电压上升的情况、捕获很少出现的脉冲毛刺等比较有用。

第六部分 示波器的存储深度

虽然存储深度是示波器的四大指标之一（分别为带宽、采样速率、通道数和存储深度），但是最后一个指标，厂家通常很少提的，不提并不表示它的重要性，而是他们有意淡化这个问题而已。比如TDS794D的存储深度，标准配置为每通道50k点。存储深度和采样速率的关系是：

存储深度＝最快采样速率×最大采样速率时限×500

上面公式中的500是指屏幕上面水平方向有10格，每格是50个点，共500个点。最大采样速率时限是指，示波器在最快的采样速率情况下，需要多长时间就可以将存储器存满。如果超过此时限，就会溢出了，实际上不会溢出，而是采取降低采样速率的方法。

例如上面的TDS794D，在标准配置的情况下，如果用最大的采样速率（4GSa/s）采样时，它的最大采样速率时限为25ns，此时时基为25/10＝2.5ns/div（注：实际上没有这个档，比较说明而已），也就是意味着，如果你将时基调整到2.5ns/div以上时，采样速率就要降低。大家平时也可能注意到，当我们测试数兆频率的信号，示波器左上角显示的采样速率会远远比示波器的最高采样速率要小。

存储深度比较大的好处在于，测试比较低速的信号时，能够以比较高的采样速率来取样，也就是能够看到更多的细节，这就是存储深度的奥妙所在。

图2-6-2 显示了Agilent的54600系列示波器深存储器的效果。54600系列是Agilent的中低端示波器，一般来说，低端示波器的存储深度都比较低，比如数k到数十k，但是它配备了每通道深达2M的存储器，它兼顾了示波器长时间捕获及高速采样两个方面，因此能够看到波形细节的可能性大大增大。在图中，每个周期中叠加了1500脉冲，其中有一个失真，示波器就以高亮度显示，通过放大该亮点，就可以看出脉冲失真的细节来。

值得指出的是，存储深度和采样速率都有单通道、双通道、全通道等的差别。比如794D的采样速率为4GSa/s，其实它是单通道下面的最高采样速率，如果开了双通道，就变成了每个2GSa/s，如果开了三个以上通道，就变成每个通道1GSa/s，同理，在存储深度也有这样的情况，就是通道存储深度。但是这个不是绝对的，有很多例外的情况，如TDS220，厂家标的采样速率是每通道1GSa/s，而不是所有通道的和，同样部分示波器标配的存储器为50k深度，是所有的通道都是50k，这些细节需要查看厂家的手册才比较明确。还有的694C，也是每个通道采样速率达10GSa/s，不是所有通道采样速率的和。

第七部分 示波器的探头

要测试，示波器就少不了探头，探头四个主要的指标为带宽、输入电阻、输入电容和衰减倍数。探头的分类如图2-7-1所示。我们最常用的探头是测试电压波形的有源探头和无源探头。

图 2-7-1 通用探头的分类情况

图2-7-2显示了探头的输入阻抗和带宽的关系，通常来说带宽高的探头，它的输入阻抗普遍要低。比如同样是有源探头的P6204和P6249，带宽分别为1GHz和4GHz，它们的输入输入阻抗分别为10M欧姆和20k欧姆。需要注意的是，阻抗会随着输入信号的频率而变化，比如随着频率的升高而减低，它不是一个恒定的数值。

上图显示的是一些比较老的探头的输入阻抗和带宽的关系，现在已经有不少提高了。在低端，主要影响的因素是输入阻抗，而在高端，主要的影响因素不再是输入阻抗，而是输入电容。

探头作为测试信号的连接设备，其输入电压是有限制，因此我们使用探头时需要特别注意探头的测试范围。输入电压比较高的探头，它的带宽也低，反之，带宽高的探头，它的输入电压范围比较小。比如有源探头P6245的带宽为1.5GHz，它的输入电压范围仅为±40V，而500MHz带宽的无源探头P5050的最大输入电压为300V。

探头特别是有源探头，都需要校准的。一般是利用示波器提供标准的1kHz的信号来校准。图2-7-3显示了校准的效果。

图 2-7-4 探头的地线效果示意图

在测试时，我们尽量要使用短的地线和带宽高的有源探头。图2-7-4显示了一个比较长的地线（如我们普遍使用探头夹子，长度大约12cm左右），和探头一起围成了一个环型回路，这个回路，就引入了分布的电感，这个电感的量级在50－200nH左右，它和探头的输入电容一起就形成了一个谐振回路，在信号的边沿处产生振铃。由于这种人为操作的误差是不能彻底消除，但是我们可以尽量选择短地线来减少它。

下面是同一个时钟，使用两个不同的探头做比较的结果。

示波器：TEK的TDS580C，1GHz带宽，4GHz采样速率。

探头1：无源探头P6139，500M带宽，10M欧姆输入电阻，8pF输入电容，10倍衰减，地线比较长，加上夹子大约13cm；

探头2：有源探头P6245，1.5GHz带宽，1M欧姆输入电阻，1pF输入电容，10倍衰减，短地线，长约3cm）。

波形2-7-5为无源探头P6139的测试波形，图2-7-6为有源探头P6245的测试波形，从两个波形看出，无源探头加长地线的结果是有比较大的过冲，并有轻微的振荡。另外由于反射波的原因，造成上升沿变陡。因此如果要得到比较准确的波形，最好选用带宽高、输入电容低的有源探头，并使用短地线，如果图方便使用长地线，只会带来更大的误差。

图 2-7-5 无源探头P6139的测试波形图

图 2-7-6 有源探头P6245的测试波形图

示波器因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围，使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路，如下图：

图1示波器探头的作用

探头的选择和使用需要考虑如下两个方面：

其一：因为探头有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路；

其二：探头是整个示波器测量系统的一部分，会直接影响仪器的信号保真度和测试结果

一、探头的负载效应
当探头探测到被测电路后，探头成为了被测电路的一部分。探头的负载效应包括下面3部分：
1. 阻性负载效应；
2. 容性负载效应；
3. 感性负载效应。

图2探头的负载效应

阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻，对被测信号有分压的作用，影响被测信号的幅度和直流偏置。有时，加上探头时，有故障的电路可能变得正常了。一般推荐探头的电阻R>10倍被测源电阻，以维持小于10%的幅度误差。

图3探头的阻性负载

容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容，对被测信号有滤波的作用，影响被测信号的上升下降时间，影响传输延迟，影响传输互连通道的带宽。有时，加上探头时，有故障的电路变得正常了，这个电容效应起到了关键的作用。一般推荐使用电容负载尽量小的探头，以减小对被测信号边沿的影响。

图4探头的容性负载

感性负载来源于探头地线的电感效应，这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振，从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃，需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃，检查确认的方法是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的地线，一般地线电感=1nH/mm。

图5探头的感性负载

二、探头的类型
示波器探头大的方面可以分为：无源探头和有源探头两大类。无源有源顾名思义就是需不需要给探头供电。
无源探头细分如下：
1. 低阻电阻分压探头；
2. 带补偿的高阻无源探头（最常用的无源探头）；
3. 高压探头

有源探头细分如下：
1. 单端有源探头；
2. 差分探头；
3. 电流探头

最常用的高阻无源探头和有源探头简单对比如下：

表1有源探头和无源探头对比

低阻电阻分压探头具备较低的电容负载（<1pf)，较高的带宽（>1.5GHz），较低的价格，但是电阻负载非常大，一般只有500ohm或1Kohm，所以只适合测试低源阻抗的电路，或只关注时间参数测试的电路。

图6低输入电阻探头结构

带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头，一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻（一般1Mohm以上），可调的补偿电容，以匹配示波器的输入，具备较高的动态范围，可以测试较大幅度的信号（几十幅以上），价格也较低。但是不知之处是输入电容过大（一般10pf以上），带宽较低（一般500MHz以内）。

图7常用的无源探头结构

带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容，当接上示波器时，一般需要调整电容值（需要使用探头自带的小螺丝刀来调整，调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置），以与示波器输入电容匹配，以消除低频或高频增益。下图的左边是存在高频或低频增益，调整后的补偿信号显示波形如下图的右边所示。

图8无源探头的补偿

高压探头是带补偿的无源探头的基础上，增大输入电阻，使得衰减加大（如：100:1或1000:1等)。因为需要使用耐高压的元器件，所以高压探头一般物理尺寸较大。

图9高压探头的结构

三、有源探头
我们先来观察一下用600MHz无源探头和1.5GHz有源探头测试1ns上升时间阶跃信号的影响。使用脉冲发生器产生一个1ns的阶跃信号，通过测试夹具后，使用SMA电缆直接连接到一个1.5GHz带宽的示波器上，这样示波器上会显示一个波形（如下图中的兰色信号），把这个波形存为参考波形。然后使用探头点测测试夹具去探测被测信号，通过SMA直连的波形因为受探头负载的影响而变成黄色的波形，探头通道显示的是绿色的波形。然后分别测试上升时间，可以看出无源探头和有源探头对高速信号的影响。

图10无源探头和有源探头对被测信号和测量结果的影响

具体测试结果如下：
使用1165A 600MHz无源探头，使用鳄鱼嘴接地线：受探头负载的影响，上升时间变为：1.9ns；探头通道显示的波形存在振铃，上升时间为：1.85ns;
使用1156A 1.5GHz有源探头，使用5cm接地线：受探头负载的影响较小，上升时间仍为：1ns；探头通道显示的波形与原始信号一致，上升时间仍为：1ns。
单端有源探头结构图如下，使用放大器实现阻抗变换的目的。单端有源探头的输入阻抗较高（一般达100Kohm以上），而输入电容较小（一般小于1pf)，通过探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用50ohm输入阻抗。有源探头带宽宽（现在可达30GHz），而负载小，但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右)，动态范围较小（这个需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试。一般动态范围5V左右），比较脆弱，使用需小心。

图11有源探头结构

差分探头结构图如下，使用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分探头的输入阻抗较高（一般达50Kohm以上），而输入电容较小（一般小于1pf)，通过差分探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用50ohm 输入阻抗。差分探头带宽非常宽（现在可达30GHz），负载非常小，具有较高共模抑制比，但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右)，动态范围也较小（这个需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试。一般动态范围3V左右），比较脆弱，使用需小心。
差分探头适合测试高速差分信号（测试时不用接地），适合放大器测试，电源测试，适合虚地测试等应用。

图12差分探头结构
 

电流探头也是有源探头，利用霍尔传感器和感应线圈实现直流和交流电流的测量。电流探头把电流信号转换成电压信号，示波器采集电压信号，再显示成电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流，使用时需要引出电流线（电流探头是把导线夹在中间进行测试的，不会影响被测电路）。

电流探头在测试直流和低频交流时的工作原理：
当电流钳闭合，把一通有电流的导体围在中心时，相应地会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电动势。电流探头根据这个电动势产生一个反向（补偿）电流送至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，以防止饱和。电流探头根据反向电流测得实际的电流值。用这个方法，能够非常线性的测量大电流，包括交直流混合的电流。

图13电流探头测试直流和低频时的工作原理

电流探头在测试高频时的工作原理：
随着被测电流频率的增加，霍尔效应逐渐减弱，当测量一个不含直流成分的高频交流电流时，大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。此时，探头就像一个电流变压器，电流探头直接测量的是感应电流，而不是补偿电流，功放的输出为线圈提供一个低阻抗的接地回路。

图14电流探头测试高频时的工作原理

电流探头在交叉区域时的工作原理：
当电流探头工作在20KHz的高低频交叉区域时，部分测量是通过霍尔传感器实现的，另一部分是通过线圈实现的。

图15电流探头交叉区域的工作原理

四、有源探头附件
现代的高带宽有源探头都采用分离式的设计方法，即：探头放大器与探头附件部分分开。这样设计的好处是：
1、支持更多的探头附件，使得探测更加的灵活；
2、保护投资，最贵的是探头放大器（一个探头放大器可以支持多种探测方式，以前需要几个探头来实现）；同时探头附件保护探头放大器（探头附件即使损坏，价格也相对便宜）；
3、这种设计方式容易实现高带宽。

图16探头附件

这些探头附件，主要包括以下几种：
1、点测探头附件（包括：单端点测和差分点测）；
2、焊接探头附件（包括：单端焊接和差分焊接，分离式的ZIF焊接）；
3、插孔探头附件；
4、差分SMA探头附件（示波器一般直接支持SMA连接，但是如果被测信号需要上拉如HDMI，则必须使用SMA探头附件）。

探头附件的电路结构如下图所示：
1、在探头附件尖端部分会有一对阻尼电阻（一般82ohm），这对阻尼电阻的作用是消除探头附件尖端部分的电感的谐振影响；
2、探头尖端部分的后面是25Kohm的电阻，这个电阻决定了探头的输入阻抗（直流输入阻抗即电阻：单端25Kohm，差分50Kohm），这个电阻使得被测信号传输到探头放大器部分的功率是非常小的，不至于对被测信号有较大影响。
3、25Kohm的电阻后面是同轴传输线部分，这个传输线负责把小信号传输到放大器。这个传输线的长度可以很长，也可以很短，中间可以加衰减器，也可以加耦合电容。
4、同轴传输线连接到放大器，放大器是50ohm匹配的（差分100ohm匹配）。
 

图17有源探头附件的结构

有源探头为了保持探头的精确度，需要工作在恒温状态，所以探头放大器不能放置到高低温箱里进行高低温环境下被测电路板的测试。从探头附件结构中可见中间的50ohm传输线的长短不影响探测，所以可以用很长的同轴电缆或扩展同轴电缆，让这个同轴电缆伸进高低温箱里进行高低温换进下被测电路板的测试。如下图是N5450A扩展电缆，使用N5381A焊接探头附件，可以工作在-55°到150°温度范围。

图18高低温探头结构原理

使用N5450A扩展电缆和N5381A探头附件，使用1169A 12GHz探头放大器，在-55°和150°环境下的频响曲线如下图所示，可见能够满足高速信号测试的要求。

图19高低温探头在高低温下的频响

五、探头及附件准确度验证
下图是一个例子：被测信号是一个频率456MHz，边沿时间约65ps的时钟信号，分别使用不同类型的探头和探头附件的测试结果。
A图是使用12GHz的1169A差分探头和N5381A 12GHz焊接探头附件的测试结果，几乎完全复现被测信号；
B图是使用500MHz的无源探头的测试结果，显示的信号完全失真；
C图是使用12GHz的1169A差分探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号出现很大的过冲；
D图是使用4GHz的1158A单端探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号几乎是正弦波，失真较大。

图20不同探头附件测试结果对比

从图中可见探头和探头附件对测试精确度的影响是非常大的，是我们测试高速信号应该重点注意的内容之一。那我们应该如何验证探头和探头附件呢？
验证探头和探头附件需要使用一台脉冲码型发生器（如:81134A，3.35GHz速率，60ps边沿的脉冲码型发生器），如果示波器自带高速信号输出功能，也可以使用示波器的这个辅助输出口代替脉冲码型发生器（如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以发一个高速时钟：456MHz频率，约65ps边沿）。另外，需要同轴电缆和测试夹具（Infiniium示波器配置的探头校准夹具可以作为探头和探头附件验证测试夹具）。测试夹具的外表是地(Ground)，里面走线是信号(Signal)，如下图所示。使用时，通过同轴电缆把一端接到脉冲码型发生器或示波器的辅助输出AUX OUT端口，另外一端通过适配器连接到示波器的通道1上。

图21探头验证夹具

然后把被验证的探头连接到通道2上，探头通过探头附件可以接触到测试夹具的信号和地（如果是差分探头，那么把+端连接到测试夹具的信号线，把-端连接到测试夹具的地上）。
1、如果探头不接触信号线，则屏幕上会出现一个原始波形，存为参考波形；
2、当用探头探测信号线时，通道1的波形会发生变化，这个变化后的波形就是被探头和探头附件影响后的被测信号；
3、这时，连接探头的通道2会出现一个波形，这个波形是探头测试到的波形；
4、通过对比参考波形，通道1的波形，和连接探头的通道2的波形，就可以直观的看出或通过测试参数读出三者的差别，可以验证探头和探头附件的影响。

图22探头验证连接和原理

下图是实际验证的一个例子，图A把示波器的AUX OUT通过同轴电缆连接到测试夹具，测试夹具的另一端通过SMA-PBNC适配器连接到示波器的一个通道上（此例连接到通道3），把探头连接到通道1上，此时调整屏幕上的波形，使得出现一个边沿阶跃波形，如图C所示，并把此波形存为参考波形。如图B把被验证探头和附件点测到测试夹具上，如图D所示，屏幕上出现3个波形，兰色的是参考波形，绿色的是受探头影响后的被测波形，黄色的是探头显示的波形，通过测试上升时间参数，过冲参数等，可确认探头和探头附件的性能。

图23探头验证实例

第八部分  示波器在使用时要避免的错误

在理想情况下，所有探头都应该是一条不会对被测设备产生任何干扰的导线，当连接到您的电路时，具有无穷大的输入电阻，而电容和电感为零。这样将会精确复制被测信号。但现实情况是，探头会给电路带来负载效应。探头上的电阻、电容和电感元件可能改变被测电路的响应。 每个电路都不尽相同，它们有自己的电气特性。因此，每次探测设备时，都需要考虑探头的特性并选择对测量影响最小的探头。考虑的范围包括从示波器输入端通过电缆到被测设备上特定连接点的完整连接，也包括用于连接到测试点的任何附件或附加导线和焊接。 了解在测试中可能遇到的错误，以及如何通过更好的操作改进测量。探头的电气特性会影响测量结果和电路的工作。采取措施确保这些影响在可接受的范围内，是成功测量的关键步骤。在使用示波器时，常见的错误有以下七种：    错误 1没有校准探头  探头在出厂的之后都进行过校准，但它们没有针对示波器前端进行校准。如果它们未在示波器输入端上进行校准，那么就无法得到正确的测量结果。 

有源探头  如果有源探头没有针对示波器进行校准，在测试时将看到垂直电压测量结果和上升沿时序（以及可能的一些失真）出现差异。大多数示波器具有参考或辅助输出功能，还配有操作指南来引导工程师完成探头校准。 

图 1：发生器输出和探测到的信号  图 1 显示了通道 1（黄色迹线）上的 SMA 电缆和适配器输入到示波器的 50 MHz 信号。绿色迹线是通过通道 2 上的有源探头输入到示波器的同一信号。请注意，通道1 上的发生器输出为 1.04 Vpp（伏特峰峰值），通道 2 上探测到的信号为 965 mV （毫伏）。另外，通道 1 与通道 2 的偏移高达 3 ms（毫秒），所以上升时间根本不能排成一行。   无源探头  可以调节探头的可变电容，使补偿与正在使用的示波器输入完美匹配。大多数示波器都有可以用于校准或参考的方波输出。探测这个连接，检查波形是否为方形。根据需要调整可变电容，以消除所有下冲或过冲。

图 2：经过幅度和偏移校准后  如果校准了这个探头，结果将大为改善。可以在图 2 中看到经过适当幅度和偏移校准后的结果。幅度现在改善为972 mVpp，偏移得到了纠正，两个上升时间保持一致。   错误 2 增加探头负载效应  只要将探头连接到示波器并将它与待测设备接触，探头就会成为电路的一部分。探头对待测设备施加的电阻、电容和电感负载效应会影响工程师在示波器屏幕上看到的信号。这些负载效应可能会改变被测电路的工作状态。了解这些负载效应，有助于工程师避免为特定的电路或系统选择错误探头。探头具有电阻、电容和电感特性，如图3 所示。

图 3：探头的基本电路  为了接触到周围环境过于狭小的探测点，可能需要想方设法添加长引线或电线。但是，为探头添加附件或探针会降低带宽、增加负载效应，进而导致频率响应不再平坦。   使用尽量短的引线来保持探头的带宽和精度。通常，探针的输入线或引线越长，带宽减小得就越大。较窄带宽的测量可能不会受到太大影响，但在进行较宽带宽的测量时，特别是在1 GHz 以上时，需要谨慎选择使用的探针和附件。随着探头带宽降低，您将失去测量快速上升时间的能力。图 4 演示了随着附件长度的增加，示波器显示的上升时间是如何变慢的。为了进行最准确的测量，最好使用尽量短的探针。

图 4：不同的探头引线长度对应的探头负载效应 另外，最好要使用较短的接地引线，因为它们越长，引入的电感就越多。保持接地线尽量短并尽量靠近系统接地点，以便确保可重复和准确的测量。 技巧：如果必须在探针上添加导线才能接触到难以到达的探测点，那么最好为探针添加一个电阻，以减弱所添加的导线引起的谐振。添加长引线时，您可能无法解决带宽限制问题，但可以将频率响应变平坦。为了确定将要使用的电阻大小，可以探测一个已知方波，例如示波器上提供的参考方波。如果电阻设置正确，您将会看到一个干净的方波（除了其带宽可能受限之外）。如果信号发生振铃，请增加电阻的大小。单端探头只需要在探针处增加一个电阻。如果您使用的是差分探头，请为每根引线添加一个电阻。

图 5：在探针上增加一个电阻，可以克服长探头连接所引起的谐振，减少振铃和过冲。但是，它不能解决由于添加引线导致的带宽限制    错误 3  没有充分利用您的差分探头  许多人认为只有在探测差分信号时才使用差分探头。在探测单端信号时，是否也可以使用差分探头？其实也是可以的。如果使用的好，这将为测试节省大量时间和金钱，并提高测量的准确性。最大限度地利用差分探头，获得尽量最好的信号保真度。 差分探头可以进行与单端探头相同的测量，并且由于差分探头在两个输入端上有共模抑制，所以差分测量结果的噪声大为减少。这使您可以看到被测设备信号的更好表示，而不会被探测所增加的随机噪声误导。 图 6 中的蓝色单端测量信号和图7 中的红色差分测量信号。蓝色的单端测量结果与红色的差分测量结果相比，噪声要多得多，因为单端探头缺少共模校正功能。 

图 6：单端测量

图 7：差分测量   错误 4 选择了错误的电流探头  大电流和小电流测量需要捕获的细节并不相同。工程师要知道为应用选择哪种电流探头更合适，以及使用错误的探头可能会遇到哪些麻烦。   大电流测量 如果使用钳形探头测量大电流（10A - 3000A），那么待测设备必须足够小，使钳形探头能够夹住它。如果设备太大使得钳形探头无法夹住，那么工程师可能会想办法在探头钳夹上添加额外的导线，但这会改变被测设备的特性。更好的办法是使用合适的工具。 最好的解决方案是使用具有柔性回路探头前端的大电流探头。可以将该柔性回路缠绕到任何设备上。这种探头叫做Rogowski 线圈。它可以让工程师在不添加未知特性元器件的情况下探测设备，使测量结果保持高度的信号完整性。它们还使工程师能够测量从mA 级到数百 kA 的大电流。请注意，它们只测量交流电流，所以直流分量将被隔离。它们的灵敏度也低于某些电流探头。这对于大电流测量来说通常不是问题。但是在测量小电流时，灵敏度和查看直流分量的能力就变得很重要。请记住，对一种测量有效的方式并不一定适用于另一种测量。 

图 8：缠绕到元器件上的 Rogowski 探针   小电流测量  如果测量电池供电设备的电流，则动态范围会有很大差异。如果电池供电设备处于空闲状态或仅处理少量后台任务，其电流峰值会很小。当设备切换到更为活跃的状态时，电流峰值会大幅提高。使用垂直标度较大的示波器设置，工程师可以测量大信号，但小电流信号将被测量噪声掩盖。另一方面，如果您使用较小的垂直标度设置，那么大信号会削波，测量结果也将失真并失效。 选择的电流探头应该不仅能够测量从 μA 到A 的宽量程，还可以使用多个放大器同时查看大小电流偏差。探头中的两个可变增益放大器允许您设置放大视图以查看小电流波动，还可以缩小视图以同时查看大电流尖峰（参见图9）。 

图 9：配有两个可变增益放大器的电流探头让您可以一次同时查看大小电流偏差   错误 5 在纹波和噪声测量期间会错误地处理直流偏置  直流电源上的纹波和噪声是由较大直流信号上的小交流信号形成的。当直流偏置较大时，可能需要在示波器上使用较大的每格电压设置才能在屏幕上显示信号。与小交流信号相比，这样做会降低测量的灵敏度并增加噪声。这意味着在测试时无法获得信号交流部分的准确表示。 如果使用隔直流电容器来解决这个问题，那么将不可避免地阻隔部分低频交流内容，使工程师无法观察到信号在经过设备上的元器件时发生的变化。 使用具有较大偏置功能的电源探头，可以将波形置于屏幕中间，而无需移除直流偏置。这样可以让整个波形都显示在屏幕上，同时保持垂直标度较小且处于放大状态。通过这些设置，还可以查看瞬态、纹波和噪声的细节。   错误 6 未知的带宽限制  在进行重要测量时，务必选择具有足够带宽的探头。带宽不足会使信号失真，使工程师很难做出明智的工程测试或设计决定。   普遍接受的带宽计算公式为：评测从 10％ 到90％ 的上升沿时，带宽乘以上升时间等于 0.35。  BW x Tr = 0.35 值得注意的是，整个系统带宽也是需要考虑的重要因素。探头和示波器的带宽都要考虑，从而确定系统带宽。计算系统带宽的公式如下所示。

例如，假设示波器和探头带宽均为 500 MHz。使用上面的公式可知，系统带宽将为353 MHz。可以看到，与探头和示波器的两个单独带宽相比，系统带宽大大降低。   现在，如果探头带宽仅为300 MHz，示波器带宽仍为500 MHz，那么应用上述公式，系统带宽进一步降至 257 MHz。    错误 7 被掩盖的噪声影响  探头和示波器的噪声可能会导致被测设备的噪声显得更大。为工程师的应用选择具有合适衰减比的探头，将会减小探头和示波器所添加的噪声。因此，工程师就能够获得更准确的信号，更清晰地查看被测设备的情况。 

图 10：使用 1:1 和 10:1 探头测得的 50mVp-p 正弦波  许多探头制造商将探头噪声描述为等效输入噪声（EIN），并以Vrms 为单位表示。较高的衰减比使您可以测量较大的信号，但缺点是示波器将检测到这些比率并同时放大信号及其噪声。为了了解这一效应的实际结果，图10 中的绿色迹线显示了使用 10:1 探头放大后的噪声。

编辑：黄飞