1 简介

电气工程师经常将示波器用于从检查简单的低速数字信号到准确的波形和抖动测量等各种目的。 他们需要使用探针直接访问 PCB 上的任意信号。 但是，探头可能会给信号带来额外的负载或使示波器上显示的波形失真。 因此，应仔细进行探测。

2 SiTime 评估板的探索

评估板是测试振荡器性能的绝佳工具。 它们经过精心设计和测试，并具有用于探测的专用测试点。 然而，由于探测或测量技术不当，评估结果可能不准确。

图 2.1 显示了焊接到 SiTime 评估板上的 SiT8208 10 MHz MEMS 振荡器的波形测量。 使用 1.5 GHz 带宽和 <1 pF 电容有源探头的理想测量与使用两个接地选项的 10 MΩ 输入阻抗、16 pF 电容无源探头的测量进行比较。 无源探头测量的上升时间大于有源探头测量的上升时间。 图 2.1 还显示无源探头的地线会导致振铃、过冲和下冲，并进一步增加上升时间。

无源探头模型（图 2.2）解释了测量结果。 接地回路的自感 ( LI ) 取决于回路的面积，在我们的示例中为 200 nH。 连同 16 pF 输入电容和 25 Ω 振荡器输出电阻 ( RS )，它形成了一个环路，在大约 90 MHz 处具有 13 dB 谐振。 这种谐振会在快速上升沿或下降沿后导致过度振铃。 移除地线并用探头套环接触 SMA 可减少 LI减小地线环路面积，从而消除振铃。

探头输入模型的频率响应在谐振频率后每十倍频程有 -40 dB 的滚降，因此增加接地回路自感会限制探头带宽。 这是必不可少的，因为测量的信号上升时间计算如下:

其中TScope、TProbe 和TSignal 分别是示波器、探头和信号的上升时间。 这就解释了为什么使用低带宽无源探头测量的上升时间高于使用 1.5-GHz 有源探头测量的上升时间。

有源探头解决了无源探头遇到的许多问题。 有源探头具有高带宽，输入电容通常低于 1 pF。 高级接地附件专为有源探头设计，有助于最大限度地减小接地回路的尺寸。 此外，由于有源探头的输入电容通常远低于无源探头的输入电容，因此对于相同的接地回路尺寸，显示出较少的谐振。

图 2.1：在评估板上进行探测：泰克 DPO7104 1 GHz 示波器使用有源探头、带接地回路的无源探头和不带接地回路的无源探头

图 2.2：典型无源探头模型

3 系统内探测

调试和性能验证是产品设计中的常见阶段。 它们涉及测量系统中的各种信号，需要精确的示波器测量，因此应密切注意探测技术。

3.1 探头对被测信号的影响

每个探头都用作连接到测试点的外部电路。 它有自己的输入电容和电阻，因此会对电路施加额外的负载。 因此，重要的是要考虑有源和无源探头对被测信号的影响。

3.1.1 有源探头

有源探头通常带宽高，输入电容低，是探测时钟信号的首选。 有源探头的输入电容范围为 0.3 pF 至 8 pF。 典型振荡器的额定输出负载为 15 pF，因此建议选择输入电容为 1 pF 或更低的有源探头。

有源探头的输入电阻从 30 kΩ 到 10 MΩ 不等，具体取决于探头型号。 SiTime 振荡器的输出阻抗明显较低，因此该探头电阻范围对于测量输出波形是可以接受的。 然而，在探测高阻抗源时，输入电阻可能是一个重要因素。

3.1.2 无源探头

最常见的是具有 100 至 300 MHz 带宽和 10 至 17 pF 输入电容的无源探头。 此类探头会对振荡器输出施加过大的负载。 例如，如果振荡器输出的系统内负载为 12 pF，则使用具有 12 pF 输入电容的无源探头会使负载加倍。 24 pF 的新负载超过了 15 pF 振荡器的额定负载。 使用此类探头测量的输出参数，尤其是上升时间，可能不符合数据表规格。 图 3.1 说明了 16 pF 无源探头如何影响振荡器输出信号。

图 3.1：16 pF 无源探头输入电容对被测信号的影响。 在连接无源探头之前和之后，使用高性能有源探头监测测试信号。 使用泰克 DPO7104 1-GHz 示波器进行捕获。

最流行的无源探头类型具有数据表中指定的 1 MΩ 或 10 MΩ 输入电阻。 这些无源探头仅用于 1-MΩ 示波器输入，并且为探头指定的电阻已经考虑了 1-MΩ 示波器终端。 这意味着 10-MΩ 探头的电阻为 9 MΩ，如图 2.1 所示。 当连接到 1-MΩ 示波器输入时，环路的全电阻为 10 MΩ，产生的分压比为 10:1。

如果 10-MΩ 探头连接到 50-Ω 示波器输入，则示波器上将看不到信号。 50 Ω 示波器终端和 9 MΩ 探头电阻形成一个分压器，将示波器放大器的输入衰减到超出可测量的极限。

3.2 长导线和地线电感

找到靠近测量点的接地连接点可能很困难，因此有时使用长电线到达最方便的接地端子。 这会产生一个大的接地环路，在快速信号边沿后导致振铃和过冲或下冲，如第 2 节所述。图 3.2 使用无源探头来说明地线长度对波形测量的影响。 使用较低输入电容的探头可减少谐振。 图 3.3 说明了与 1 pF 有源探头一起使用的相同长度的地线对波形的影响要小得多。

图 3.2：地线长度对无源探头波形测量的影响。 较长的地线会增加快速信号边缘后的振铃。 示波器：泰克 DPO7104。 无源探头：泰克 P2220 在 10 MΩ 模式下连接到 1 MΩ 输入。

在高低温测试过程中，工程师发现使用延长线连接探头很方便。 这种方法有几个缺点，包括来自相邻电路的噪声拾取（参见第 3.4 节），以及环路的大自感导致带宽降低、振铃、过冲或下冲。 当电线移动时，回路的面积会发生变化，从而改变波形的形状。 图 3.4 说明了使用 22 英寸电线和两个不同电线位置捕获的波形，显示了明显的过冲和下冲。 如果信号频率接近导线/探头谐振频率，则波形可能表现为幅度超过电源轨的正弦波。

图 3.3：地线长度对 1pF 有源探头波形测量的影响。 低电容有源探头对地线长度不太敏感。 示波器：泰克 DPO7104。 有源探头：泰克 TAP1500。

图 3.4：使用 22 英寸导线和 Tektronix P2220 无源探头在 10 MΩ 模式下探测 10 MHz 被测信号，连接到 1 MΩ Tektronix DPO7104 示波器输入。

图 3.5：使用 22 英寸双绞线和泰克 P2220 无源探头在 10 MΩ 模式下连接到 1 MΩ 泰克 DPO7104 示波器输入端，探测被测 10 MHz 信号。

使用传输线结构（例如图 3.5 中所示的双绞线）可以将导线的自感降至最低。这种手工制作的传输线的阻抗难以预测，并且可能沿线变化，导致阻抗不匹配。穿过传输线的信号从阻抗变化的每个点反射，包括探头连接点。反射与信号叠加，从而使测量波形失真。为了减少反射，信号和地之间的 50 Ω 电阻器可用作探头到电线连接点的负载端接点（图 3.6）。另一个与 DUT 输出串联的 20 Ω 电阻器可用于更好的源阻抗匹配和输出电流降低。由于双绞线传输线方法中的信号完整性问题很难消除，因此不建议将这种方法用于探测。

图 3.6：使用 22 英寸双绞线和 Tektronix P2220 无源探头在 10 MΩ 模式下连接到 1 MΩ 泰克 DPO7104 示波器输入端来探测 10 MHz 被测信号。 用于减少反射的源和负载端接技术。

另一种可能的解决方案是使用 50 Ω 同轴电缆直接连接到 50 Ω 仪器输入。串联端接电阻应靠近振荡器输出放置以进行阻抗匹配。它还提供了一些同轴电缆电容与振荡器输出驱动器的隔离。标准 SiTime 单端振荡器的典型输出阻抗对于 2.5、2.8、3.0 或 3.3 V 电源电压约为 20 至 30 Ω，对于 1.8 V 振荡器约为 25 至 35 Ω。因此，建议使用 20 到 30 Ω 之间的串联终端电阻，如图 3.7 所示。源阻抗 (ZS) 和负载终端 (ZT) 形成一个具有 (ZS + ZT)/ZT : 1 比率的分压器。振荡器的输出阻抗取决于输出驱动器的属性，也可能随外部条件（例如温度）而变化。因此，分压比不精确，这种方法不应用于电压测量。它更适合使用示波器、频率计数器（如图 3.8 所示）或任何其他仪器进行频率测试。无论选择何种仪器，仪器侧都需要外部或内置 50 Ω 终端。另请注意，此方法会在振荡器输出上施加额外的 70Ω 电阻负载。

图 3.7：使用 50 Ω 同轴电缆（大约 2:1 分频比）探测振荡器输出

图 3.8：使用 50-Ω 同轴电缆连接频率计

另一种可用于同轴电缆的探测方案如图 3.9 所示。 它具有更高的输入阻抗，分频比约为 21:1，并使用 1kΩ 电阻器将振荡器输出与同轴电缆隔离。 由于示波器终端电阻非常精确，振荡器输出阻抗相当低，分频比的精度主要取决于 1kΩ 电阻器。 这种方法的缺点是衰减系数高，这对示波器输入放大器提出了额外的要求。

图 3.9：使用 50 Ω 同轴电缆（21:1 分频比）探测振荡器输出

3.3 良好探测实践的例子

应使用具有高带宽、低于 1 pF 的电容和最小接地环路的有源探头来实现最佳波形测量。 示波器和探头的最小推荐带宽为 BWMIN = 1/TRISE2080，其中 TRISE2080 是信号边沿的预期 20-80% 上升时间。 它也可以估计为 BWMIN = 1.25/TRise1090，其中 TRise1090 是信号边沿的预期 10-90% 上升时间。 推荐的最小示波器采样率为 SRMIN = 6/TRise。 例如，如果被测信号的预期 20-80% 上升时间为 1 ns，则 BWMIN = 1GHZ 且 SRMIN = 6Gsps。由此产生的示波器和探头的上升时间为 ：

其中 TScope 和 TProbe 分别是示波器和探头的上升时间。 1 GHz 探头与 1 GHz 示波器相结合的结果带宽小于 1 GHz。 对于波形测量，最好将示波器带宽和采样率设置得尽可能高。 如果示波器的带宽不足，测得的信号上升时间将高于预期。

示波器垂直放大器的推荐增益是尽可能多地扩展输入信号的增益，只要它仍然适合屏幕。 这可确保将示波器 ADC 的最大分辨率用于波形转换，从而最大限度地减少量化噪声。 示波器的自动设置功能通常为波形捕获选择最佳垂直分辨率。 图 3.10 显示了 75-MHz 振荡器输出的一个很好的探测示例。

图 3.10：探测示例。 信号源：SiTime 评估板上的 75-MHz SiT8208 MEMS 振荡器。 示波器：安捷伦 DSA90604A (6 GHz)。 有源探头：带有 E2675A 差分浏览器探头的 Agilent 1134A (7 GHz)。

有源探头不能放置在温度室中，因为它的工作温度范围相当窄。 例如，Agilent 1169A 有源探头在 5 到 40 °C 之间运行。 图 3.11 说明了使用延长电缆的典型设置。 如果这些附件不可用，则同轴电缆可用于某些测量，例如频率测试，如第 3.2 节所述。 图 3.12 显示了使用同轴电缆的典型测量配置。

图 3.11：使用安捷伦温度延长电缆的温度测试设置示例

图 3.12：使用同轴电缆使用 Agilent DSA90604A 示波器进行探测

3.4 噪声拾取

探头接地环路从应用板上的各种来源拾取噪声。 这种耦合噪声出现在波形上，就好像它自然存在于被测信号上一样。 如果噪声来自与振荡器同步的源，则很难将其与本地信号噪声分开。

图 3.13 显示了噪声耦合到探头接地回路的机制。 沿着电路板上的走线传输的开关电流信号与接地返回电流形成一个回路。 它通过两个回路的互感耦合到探头接地回路。 耦合噪声的幅度取决于干扰电流变化率和环路之间的互感。 互感与环路面积成正比，与环路之间距离的立方成反比。 为了尽量减少噪声拾取，建议保持探头接地回路的面积尽可能小。

图 3.13：噪声耦合到探头接地回路的机制

3.5 探测技巧

如上所述，建议使用有源探头来探测振荡器输出。 但是，无源探头在某些情况下很有用。

无源探头推荐用于：

• 调试低速数字电路
• 低带宽模拟电路
• 低速、高阻抗源
• 探测直流电源

• 探测高速串行接口
• 时钟波形测量
• 探测高频数字电路

4 常见错误

4.1 探头带宽和输入电容不合适

图 4.1 显示了使用切换到“1X”模式的泰克 P2220 无源探头捕获的 75-MHz 波形。 在这种模式下，P2220 探头具有 95 pF 的输入电容和只有 6 MHz 的带宽。

图 4.1：泰克 DPO7104 示波器在“1X”模式下使用泰克 P2220 无源探头捕获的 75-MHz 振荡器输出

4.2 用于探测的长导线

图 4.2：使用长导线和 Tektronix P2220 10-MΩ 无源探头进行探测。 使用泰克 DPO7104 示波器制作的屏幕截图。

信号路径上任何长于材料中有效上升沿长度的六分之一的导线或 PCB 走线都被视为具有分布参数的传输线，并需要进行阻抗匹配。 对于上升时间为 1 ns 的信号，该阈值约为 1 英寸。 因此，当无端接传输线或长线连接到 10-MΩ 无源探头时，会产生明显的反射。 穿过图 4.2 所示线路的信号从探头的高阻抗输入端反射，由于没有适当的源端接，反射波到达源并反射回来。

4.3 与被测信号相连的长短线

图 4.3：使用有源探头在评估板上捕获的波形，同时无端接同轴电缆连接到振荡器输出。 示波器：安捷伦 DSA90604A（6 GHz）； 有源探头：带有 E2675A 差分浏览器探头的 Agilent 1134A (7 GHz)。

4.4 示波器采样率过低

不正确的采样率选择会导致示波器屏幕上出现意外波形，因此可能会被误认为是探测问题。图 4.5 显示了使用两种采样率（25 Msps 和 50 Msps）捕获的 75 MHz 信号，这两种采样率都低于一次谐波的奈奎斯特频率 (150 MHz)。这种情况在尝试捕获信号的相当大的时间帧时最常遇到，导致示波器由于内存有限而自动降低采样率。欠采样信号中出现混叠，使高频分量看起来像低频分量。在这种低采样率下，捕获的波形都不像 75 MHz 时钟信号。示波器上显示的波形可能看起来像极低频信号或波形中可能出现间隙。这可能会导致错误的假设，即振荡器无法正常工作。

图 4.5：使用低于奈奎斯特频率的采样率使用 Agilent DSA90604A 示波器捕获的 75-MHz 被测信号。

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