隨著通信器件處理能力的大幅提升，無論是設計計算機系統、新一代半導體產品還是通信系統， 射頻工程師們都要應對日益提高的信號速率。為使高速器件更高效地處理數據，他們通過不懈努力，發明了可以增加外部總線帶寬的技術，能夠在電路板器件之間通過背板或電纜傳輸大量數據。
提高信號頻率是一種增加總線帶寬的方法。因為提高信號頻率能夠減少數字信號的上升時間。性能較差的示波器探頭會導致這些具有迅速上升時間的信號的測量波形上出現過沖和振鈴。 工程師們必須確定設計中是否包含這些異常因素，以及是否由測量系統引起。
在高速傳輸數據時，示波器探頭與被測電路接觸會引起寄生效應，從而導致被測波形出現嚴重異常。此外，探頭還有可能給電路增加負載，導致信號發生顯著變化或破壞。所以，充分了解示波器探頭對被測電路和被測波形有何影響，將會明顯改進測量結果。
示波器探頭輸入阻抗
示波器設計師們已在提高采樣率、帶寬和精度方面取得了巨大進步。為了使示波器在特定應用中達到最佳使用性能，必須謹慎選擇和操作示波器探頭。但實際上經常會忽視附件的重要性。探頭是被測電路和示波器之間的主要連接工具。它即能影響測量結果，也會影響到被測電路的工作。
當探頭與被測電路連接時，相當于在該電路上添加了一個負載。該探頭負載會消耗額外的信號源電流，改變測試點之后的電路的工作情況，從而使測量信號發生變化。
若要獲得精確的測量結果，探頭必須捕獲信號并提供最真實的信號顯示，在其頻率范圍內不能增添額外的負載，或使信號源發生變化。實際上，所有的探頭都會給被測電路添加一個復雜的負載（見圖 1）。因此，選擇探頭時要將該負載值限制在可以接受的范圍之內。
探頭技術指標列出了輸入阻抗和電容。這兩者結合，可以改變被測電路并給其添加負載。電容器在低頻工作時，相當于一個開路電路，此時直流電阻成為形成電路負載的主要因素。電阻負載是探頭負載中影響最小的因素，因為它不會產生非線性的電路特性。
雖然低阻抗探頭泄漏的電流過多會引起非線性響應或中斷電路工作，但目前使用的低壓、高速信號探頭已基本上解決了這個問題。
圖 1. 示波器探頭的簡易輸入阻抗模型（包含電阻、電容和電感分量）。
示波器探頭輸入阻抗
假設信號源阻抗是電阻，探頭的電阻分量會形成分壓器（由電路輸出阻抗和探頭輸入阻抗組成），這可以降低測量信號的電壓幅度但不改變其形狀（見圖 2）。探頭電阻相對于信號源阻抗越小，探頭負載所減少的測量波形電壓幅度就越多。此外，探頭阻抗相對于電路阻抗越小，流入探頭的電流就越大，對電路產生不良影響的幾率就越高。
當信號頻率提高或邊沿速度降低時，探頭電容的特性就相當于一個短路電路，使電流流入低阻抗探頭。在信號的高頻階段，電容電抗是產生電路負載的主要因素，可能會引起電路故障，因為此時電路不能驅動足夠的電壓裕量。
電容負載是導致探頭相關測量誤差的主要根源，因為它會影響上升和下降時間、帶寬以及邊沿到邊沿時間的測量結果。電容負載可以通過引發指數響應（圖 3）來改變測量波形的形狀，從而消除毛刺、減少振鈴和過沖，或減緩測量邊沿速度，使其恰好可以用來完成建立保持時間的違規設置。
圖 2. 電阻負載降低測量信號的幅度但未改變其形狀。
圖 3. 電容負載通過引發指數響應改變測量信號波形。
圖 4 顯示了高達 6 GHz 的示波器探頭輸入阻抗。您可以看到在 1MHz 以下的低頻階段中，探頭輸入阻抗主要由探頭直流電阻分量決定（100 kΩ）。隨著信號頻率的提高，電容電抗逐漸成為影響電路負載的主要分量。在 2GHz 時，示波器探頭的阻抗達到最低水平 165-Ω，此值由探針電阻器決定。
我們可以用 25Ω 信號源生成的具有超快速邊沿的數字信號為例（見圖 5），說明這些探頭因素如何影響測量波形和被測電路。您可以看到，當探頭連接被測電路時，信號波形因探頭輸入阻抗而改變。
電感負載在測量信號中以振鈴形式出現（見圖 6）。產生振鈴的信號源為 LC 電路，由探頭內部電容以及接地引線和探針的電感組成。通常在進行任何類型的示波器測量時， 都應選用盡量短的接地引線。這樣能夠減少電感，而且可以將振鈴頻率移至示波器和探頭帶寬之外，從而盡量減少對測量的影響。
圖 4. 增加頻率可以改變示波器探頭的輸入阻抗。
圖 5. 示波器探頭在高頻條件下造成電路負載并且延長電路產生全電壓的時間。
什么是示波器探頭傳輸響應？
影響示波器探頭輸入阻抗并使探頭傳輸響應發生變化的寄生參數，通常被稱為探頭傳輸響應。這種傳輸響應定義為探頭輸出電壓與探頭輸入電壓的比率（Vout/Vin-），通常用幅度（dB）/ 頻率圖形來顯示。
在傳輸響應低于 -3dB 或幅度降至 70.7% 時，探頭帶寬為連續頻段（圖 -6）。在探頭帶寬之外的頻率上，信號幅度將過度衰減，并且使測量結果難以預測。
圖 6. 帶寬是指當儀器的傳輸響應降低 3 dB 時的連續頻段。
在探頭帶寬范圍內，您可以看到探頭輸出信號與探針輸入信號非常相符，偏差最小，因此您在示波器屏幕上看到的波形就是探針輸入端的信號。
在頻域中，探頭在盡量減少對信號的影響的條件下從輸入端到輸出端傳輸信號的能力， 表現為在整個探頭帶寬內傳輸響應都非常平坦（0dB）。但是在實際條件下這很難實現。當探頭與被測電路連接后，物理連接的寄生效應和探頭內部元件能夠形成諧振電路，其諧振頻率低于探頭帶寬（圖 7）。該帶內諧振將引起探頭輸出信號與輸入信號產生差異， 并以過沖和振鈴形式在測量波形上顯示。
圖 7 中的示例描述了非是德科技的 4-GHz 探頭的輸入電壓（V 輸入）上的帶內阻抗。請注意，此時探頭的輸出電壓（V 輸出）與輸入電壓不相符。輸出電壓保持平坦，而探頭傳輸響應（V 輸出 /V 輸入）達到 5-dB 的峰值。
圖 7. （上圖）25-Ω 系統中非是德科技 4 GHz 探頭的輸入電壓和輸出電壓的頻率響應。
（下圖） 探頭的傳輸響應。輸入電壓諧振低至 3.5-GHz 時，輸出電壓保持平坦，傳輸響應達到 5-dB 的峰值。
那么當輸入電壓諧振時輸出電壓保持平坦存在什么問題呢？難道這不是與未連接探頭時的信號情況相同嗎？這個問題問的好，但是請記住探頭傳輸響應將一直處于 5-dB 的峰值，會導致輸入信號失真，并且在測量波形中顯示額外的過沖和振鈴。
圖8 的測量是在兩端端接 50-Ω 負載的傳輸線的中點進行的，信號源電阻顯示為25-Ω，并且探頭響應與該類電路匹配。如果正在測量的電路不能提供理想的 25-Ω 信號源電阻，您將會看到探頭引起的信號失真。
可以通過實例對此類失真進行更好的解釋說明。假如使用 100-kΩ 探頭來測量具有100-kΩ 信號源電阻的電路的電壓，并且該探頭的傳輸響應已針對這種類型的電路進行了修改，可以顯示出探頭“實際”輸出電壓。因此，當您將探頭連接到電路上，并將輸入電壓降低一半時，測量波形就像未連接探頭時一樣顯示全電壓幅度。
但是，當探頭與具有 50-kΩ 信號源電阻的電路連接會發生什么情況呢？探頭的傳輸響應仍然會改變測量波形，顯示的波形電壓比探頭輸入端的實際電壓高 33%。
最佳的示波器探頭可以保證對被測電路的影響最小，并且從輸入端到輸出端傳輸的電壓失真最小。這樣您就可以觀察探針處的信號。
示波器探頭可以通過在緊鄰被測點處安裝一個電阻器從而解決此類問題。在探針上安裝電阻可以隔離探頭寄生效應對被測電路的影響，并抑制諧振電路的形成。這樣可以使探頭傳輸響應（V輸出 /V輸入）在高達 4-GHz 的整個帶寬內保持平坦（圖8）。
通常，如果需要進行精確的上升時間測量，應選用盡量短的接地引線。
圖 8. （上圖）示波器探頭輸入電壓和輸出電壓的頻率響應。（下圖）由于輸出電壓的頻率響應與輸入電壓非常相符，但探頭傳輸響應在探頭整個 4 GHz 帶寬內保持平坦。
示波器探頭附件
由于探測電路存在一定的探測難點，所以并非每次都可以將探頭與信號和地面直接相連。因此我們經常會看到在電路上焊接有一小段電線，旨在方便探頭與信號和地面連接。但是，這些電線會產生更多的寄生效應，顯著改變探頭的傳輸響應，從而引發測量波形出現過沖和振鈴（圖 -9）。通常，利用電線擴大探頭的探測范圍時，每英寸電線會產生高達 25-nH 的電感施加到探頭等效電路中。
如何測試電路板上探頭無法探測到的信號呢？
那么如何測試那些在電路板上但是探頭無法探測到的信號呢？
大多數高性能探頭都提供了可進行物理連接但電氣特性不適合傳輸高保真信號的附件。
示波器探頭及其附件是一套相輔相成、缺一不可的測量系統。示波器探頭的多種附件，幫助您實現這些難以進行的連接，并經過恰當地電氣性能控制，從而優化測量性能。
圖 9. 在 66 MHz/500-ps 時鐘上進行測量。（上圖）普通 5-cm 線與被測信號相連造成測量波形出現過沖和振鈴。（下圖） 恰當阻尼的 5-cm 電阻信號線可幫助探頭進入狹小空間進行探測，不會給測量波形帶來失真。
探頭附件
示波器探頭通常提供了 5-cm 和 10-cm 電阻信號引線，用于幫助探頭在狹小空間進行探測（圖 -10）。這些信號引線包含電阻探針，可以使探頭寄生效應和被測電路隔開，并抑制諧振電路的形成。
這樣可使得探測系統的整個帶寬范圍內保持平坦的傳輸響應（圖11）。最終，您可以在難以達到的測量點對信號進行測量，并且不會將額外的過沖、振鈴以及其他失真引入測量波形！
請牢記，必須使用盡量短的接地引線。當接地引線與探頭連接時，在探頭返回路徑中會產生電感，這在探頭中是不能補償的。額外的電感會改變探頭的傳輸響應并導致測量波形失真。
圖 10. 用示波器探頭進行探測并對附件進行恰當阻尼以提高測量可靠性。
圖 11. 雖然用示波器探頭的 5cm 電阻信號引線進行探測會減少測量帶寬，但是傳輸響應保持平坦并且不會引起測量波形失真。
帶寬和上升時間注意事項
在選擇示波器和探頭時，必須了解帶寬極限值，因為它們有可能影響測量精度。帶寬是指測量系統的傳輸響應引起輸出電壓幅度從參考電平降低 -3-dB（70.7%）時的頻率（圖 -6）。那么您的示波器和探頭需要的帶寬是多少呢？
通過連續正弦波傳輸的信號由單一頻率分量組成，即基礎頻率。正弦波頻率越接近測量系統的帶寬極限值，測量幅度衰減的越多。在系統帶寬范圍內，預計測量正弦波的幅度有 30% 的錯誤。因此在進行精確幅度測量時，您應該選擇基本帶寬是信號基礎頻率 3 倍的示波器和探頭。
與只包含單一頻率分量的正弦信號不同，數字信號在多個頻率上包含廣泛的頻譜分量， 以形成具有快速邊沿速度的方波。對于數字信號，頻譜內容主要由邊沿速度來確定，而不是取決于信號重復率。對數字信號邊沿頻率的保守估計為：
F = 0.5/（上升時間）
通常，估計的頻率稍高于實際頻率。
數字信號還具有非常大的 3 階和 5 階頻率諧波。這些高頻分量的衰減將導致上升時間和下降時間測量結果慢于實際時間。因此，為了提高上升時間和下降時間測量的精度，您應該選擇帶寬是數字信號上升時間頻率三倍或五倍的示波器和探頭。
如何確定示波器和探頭的系統帶寬呢？
既然我們知道了準確捕獲信號的帶寬要求，那么如何確定示波器和探頭的系統帶寬呢？
所有類型的探頭都有帶寬極限值，因此存在一個可以通過探頭的固有最短信號上升時間， 該時間可以通過下列公式來計算：
上升時間 = 0.35/ 帶寬
上升時間是指波形從最終值的 10% 轉變為 90% 時所需要的時間。探頭的最短上升時間和下降時間（在探頭特性中有詳細說明）表示當輸入信號為上升時間等于零的階躍信號時，探頭輸出信號的上升時間和下降時間。通過觀察示波器探頭輸入和輸出信號可以看到這一點（圖 12）。
圖 12. 探頭的最短上升時間會影響測量結果。
示波器帶寬和上升時間
示波器還會有獨立的帶寬和上升時間極限值。通常認為示波器和探頭的帶寬大小應該相等。但是，示波器帶寬和探頭帶寬的關系并非如此簡單。
示波器和探頭組成測量系統，該系統的傳輸響應將包含探頭傳輸響應和示波器傳輸響應。這些響應組合將決定測量系統的上升時間和帶寬，通常可由以下公式計算得出：
這些公式適用于計算示波器和探頭響應按照高斯定律衰減時的系統帶寬和上升時間（圖13）。
如果該響應不符合高斯定律，您必須更深入地查看探頭響應，從而獲悉信號如何從探針傳輸到示波器輸入端。只要探頭響應平坦，即 Vout/Vin = 0-dB，傳輸到示波器輸入端的信號就與探針輸入信號完全相同。
圖 13. 高斯傳輸響應與示波器探頭迅速衰減響應的對比。
帶寬和上升時間注意事項
是德科技秉承實現最大響應平坦度的理念開發了 1156A/57A/58A 探頭。圖 -14 顯示了這些探頭的傳輸響應。
圖 14. 示波器探頭的傳輸響應。
結論
隨著電子設備的頻率不斷提高，選擇適合的示波器探頭成為決定測量結果和被測電路工作的關鍵因素。
在選擇新探頭時需要考慮以下因素：
檢查示波器探頭輸入阻抗并考慮其對電路的影響。在高頻下負載具有越來越重要的影響，請務必使用盡量短的接地引線。
示波器探頭在整個帶寬內應具有平坦的傳輸響應，否則會引起測量結果失真。平坦的傳輸響應可以保證探頭輸出信號與探針輸入信號完全相符，并將其完整地傳輸到示波器。
最佳測量結果取決于示波器探頭和連接，所以明智地選擇和恰當地使用探頭阻尼附件可以改善測量結果的精度及可重復性。
示波器和探頭共同工作形成完整的測量系統。充分了解探頭對整個系統帶寬的影響， 可以幫助您更胸有成竹地選擇最適合自身應用的示波器和探頭。
最佳的探頭可以保證對被測電路的影響最小，并且從輸入端到輸出端傳輸的電壓失真最小。示波器最佳的探頭可以保證對被測電路的影響最小，并且從輸入端到輸出端傳輸的電壓失真最小。示波器探頭提供領先的性能，能夠對高速電路進行最精確的分析。
未經同意，請勿轉發。
