示波器探头的地线问题解析

前面几篇我们已经介绍了与示波器探头及其使用有关的所有基本信息。对大多数测量环境，只要注意下述基本问题，与示波器一起提供的标准探头就已经足够了：

■ 带宽 / 上升时间极限

■ 信号源负荷潜力

■ 探头补偿调节

■ 正确的探头接地

但是，最终您会遇到超越基本知识之上的某些探测环境。

那从今天开始，我们就来给大家介绍一下可能遇到的某些高级探测问题，先从我们的老朋友—地线开始。

地线问题

由于很难确定及为测量确定一个真正的接地参考点，示波器测量中仍需考虑地线问题。这种困难源于这样一个事实，不管是探头上的地线还是电路中的地线都具有电感，在信号频率提高时，会成为自己的电路。再前面几篇中已经讨论和说明了其中一个影响，即长地线导致脉冲上出现振铃。除成为振铃和其它波形畸变的来源外，地线还成为噪声的接收天线。

为防止地线问题，首先可以进行推测。应一直怀疑信号显示器屏幕上观察到的任何噪声或畸变。噪声或畸变可能是信号的一部分，也可能是测量过程导致的结果。下面的讨论提供了相关信息和指南，可以确定畸变是不是测量流程的一部分，如果是，怎样处理这个问题。

地线长度

任何探头地线都有一定的电感，地线越长，电感越大。在与探头尖端电容和信号源电容相结合时，地线电感形成一条谐振电路，在某些频率上导致振铃。

为观察接地不良导致的振铃或其它畸变，必须存在下面两个条件：

1. 示波器系统带宽必须足够高，能够处理探头尖端上信号的高频成分。

2. 探头尖端上的输入信号必须包含足够的高频信息( 快速上升时间 )，由于接地不良会导致振铃或畸变。

图 1. 由于使用 6 英寸的探头地线 (a)，快速步进 (1 ns Tr)上面发生了畸变。通过移动探头电缆或把手放在电缆上 (b)，可以改变这些畸变。

图 1 说明了在满足上述两个条件时可以看到的振铃和畸变实例。图 1 中所示的波形是使用 350 MHz 示波器、同时使用 6 英寸地线的探头测量的。探头尖端上的实际波形是一个步进波形，其上升时间为 1 ns。

这个 1 ns 的上升时间等于示波器的带宽 (BW ≈ 0.35/Tr)，拥有足够的高频成分，可以在探头的接地电路中引起振铃。这个振铃信号与步进波形并联注入系统中，显示为步进顶部的畸变，如图 1 所示。

在使用相同的示波器和探头采集同一个步进波形时，得到图1 中的两个波形显示。但要注意，图1b 中的畸变与图1a 相比略有不同。通过稍微重新确定探头电缆位置，把一只手放在探头电缆部分，可以获得图1b 中看到的差异。重新确定电缆位置及在电缆附近放一只手，导致探头接地电路的电容和高频端子特点发生小的变化，进而改变了畸变。

探头地线可能会在快速转换的波形上导致畸变，意识到这一点非常重要。同样还认识到，波形上看到的畸变可能只是波形的一部分，而不是由于探头接地方法引起的。为区分这两种情况，可以移动探头电缆。如果把手放在探头上或移动电缆导致畸变发生变化，那么畸变是由探头接地系统导致的。正确接地 ( 端接 ) 的探头对电缆位置或接触根本不敏感。

图 2. ECB 到探头尖端适配器

为进一步说明上述观点，我们再次使用相同示波器和探头采集相同的波形。只是这一次去掉了 6 英寸探头地线，而通过安装 ECB 到探头尖端适配器来采集步进信号 ( 参见图 2)。图 3 是得到的没有畸变的步进波形显示。去掉了探头地线及在 ECB 到探头尖端适配器中直接端接探头，几乎从波形显示中消除了所有畸变。显示图形现在精确绘制了测试点上的步进波形。

图 3. 通过 ECB 到探头尖端适配器采集的上升时间为 1 ns的步进波形

结论

从上面的实例中可以得出两个主要结论。首先在探测快速信号时，地线应尽可能短。其次，通过设计产品测试能力，产品设计人员可以保证更高效地维护和检修产品，包括在必要的地方使用 ECB 到探头头部适配器，以更好地控制测试环境，避免在安装或维护过程中错误地调节产品电路。

图 4. 无源探头与有源探头相比地线影响的实例

左面的三条轨迹显示了在无源探头上使用 1/2 英寸、6 英寸和 12英寸地线时对波形的影响。右面的轨迹显示了使用同一条地线采集的同一波形，但使用的是有源 FET 探头。

左面的三条轨迹显示了在无源探头上使用 1/2 英寸、6 英寸和 12英寸地线时对波形的影响。右面的轨迹显示了使用同一条地线采集的同一波形，但使用的是有源 FET 探头。

在没有安装 ECB 到探头尖端适配器的环境中需要测量快速波形时，记住要使探头地线尽可能短。在许多情况下，这可以使用内置接地头部的专用探头尖端适配器完成。但也可以使用有源 FET 探头。由于高输入阻抗及极低的头部电容 ( 通常小于 1 pF)，FET 探头可以消除无源探头遇到的许多地线问题，图 4 进一步说明了这一点。

好了，今天的分享就先到这里了，下篇我们再对地线的噪声问题做详细解析。

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审核编辑 黄宇