一直以来，高带宽的示波器的主要用途基本限于高速串行协议的分析，这也是示波器厂商主推的应用。但来自TMworld的这篇文章则提醒我们快上升沿的脉冲信号也是高带宽示波器的吞噬者。高速脉冲信号的应用十分广泛，比如大家比较熟悉的UWB，雷达，以及不太熟悉的快电子等应用场合。据说第一封电报就是用电火花来实现的，电火花事实上也是一种脉冲。问题在于如果你想研究脉冲，比如测试具有快上升沿的信号，你得付出相当的代价。文中给出的实测数据表明，要想获得700pS上升沿的1%测量精度，要至少具有4GHz带宽的示波器，这可是理论需要带宽643MHz的6倍多，要知道
示波器的1G带宽大约值1万多美金。
文中提出一些ESD模拟器可产生50pS的上升沿，需要8.6GHz带宽的示波器，假如使用Tektronix
8GHz带宽的DPO70804，基本配置的官方报价是8万美金，而且这个价格只能获得10%的精度。简单的说你想测试ESD脉冲的上升沿，你得先支付足够的Money。我在这里也抛出一个问题，如何测试窄至1pS的脉冲？当设计符合电磁兼容性（EMC）标准的产品时，必须测试电路对静电放电（ESD）的免疫性。规定如何设置和执行这些测试的标准（参考文献1、2），如IEC
61000-4-2和ANS I C63.16等，要求使用ESD模拟器生成测试脉冲。
这些标准还规定必须注入被测设备（EUT）电流脉冲的波形和时序，因此在运行免疫性测试之前，必须确认ESD模拟器生成的电流脉冲具有正确的波形和上升时间。模拟器的性能可使用校准的ESD目标和高带宽示波器来验证。
ESD波形 由接触机箱或电缆的人生成的ESD可中断电子系统中的电路。当人的手指靠近任何金属物体时，典型人体ESD事件会引起向金属物体大电流放电。由此引起的电流脉冲可能为几安培，在不到1
ns的上升时间内达到极高的前沿（图1）。
可用一系列简单的RC网络模拟人体（图2）。随着电荷的积累，电容器充电达到数千伏。当开关关闭时，该电荷迅速释放到EUT中。有多家制造商提供的模拟器可再现非常接近这一人体模型的电流波形。这些模拟器的波形必须按照IEC
61000-4-2的规定生成。
IEC 61000-4-2要求在测试EUT之前验证ESD模拟器的头电压。它还要求验证引起的电流波形的几项特征，如电流峰值、30
ns时的电流读数，以及60 ns时的电流读数。
必须使用静电计或千兆欧表（参考文献3）测量模拟器的头电压。我发现，对于预达标测试，可使用简单的高阻抗、高电压电阻分压器（一个与1
MΩ电阻分压器串联的100 MΩ电阻分压器）和数字电压表。确保电阻器最高可承受25 kV。
使用分流器 要检查ESD模拟器的输出，必须通过接地的低阻抗、高频电阻分流器测量产生的电流波形。该分流器（或ESD目标）可以模拟向大型金属物体的放电，例如设备机箱。
IEC和ANSI标准目前规定分流电阻需低于2.1
Ω，但是将来修订时将修改。为了帮助工程师更加准确地验证ESD模拟器的性能，目前草案标准中规定了更高带宽、更低电阻的校准ESD目标。新目标的电阻约为1
Ω。目前，IEC和ANSI标准都规定了1 GHz的带宽目标。这些草案标准规定了
4 GHz目标。
设置测试时，必须在1.2 m2接地层的中心安装该目标。ANSI
C63.16目标规范包括不到0.1（等于低于1.22的VSWR）的反射系数和低于最高4 GHz时0.3 dB的插入损耗。
要完成测试设置，需要电缆、衰减器和示波器。在目标、衰减器和示波器之间需要使用优质的低损耗电缆。应遵照IEC和ANSI标准，使电缆总长度不到1米。ANSI
C63.16需要双遮蔽电缆，以防止信号泄漏影响测量。它还建议采用RG-400/U电缆，但RG-214/U（尽管直径为其两倍）的损耗只有一半，似乎运行良好。也可使用任何千兆带宽的同轴电缆。
IEC
61000-4-2还规定将示波器放在法拉第笼中，以屏蔽ESD引起的辐射干扰影响。在开发该标准期间（20世纪90年代初），许多工程师使用模拟示波器进行这些测量。该标准规定使用屏蔽来防止模拟示波器上显示的波形失真。该屏蔽还可最大限度减少由放电辐射的电磁场引起的虚假触发。
目前，大多数高速数字示波器都有屏蔽良好的输入电路，因此实际上可能不需要法拉第笼。我发现，在屏蔽良好的示波器中，在1.2
m2的铝片中心安装了ESD目标可以防止不必要的触发。
旧的ESD目标和新的ESD目标 ESD目标可能产生大于50 V的电压，因此需要衰减器来保护示波器的输入前置放大器（图3）。20
dB衰减器表示10倍的衰减，只须将所测电压乘10就可得出分流器两端的实际电压，然后计算产生的电流，所以比较简便。使用的衰减器必须能够处理50V峰值电压，其带宽必须准确传输高达
6 GHz的频率。
谨慎靠近 在使用空气放电进行测试时，尽力呈直角以匀速接近ESD模拟器的目标。这样可实现最大限度的可重复性，但是可能看到多种不同的波形。对于接触放电测试，在对模拟器进行放电之前，可直接将头端放在目标上。
目标衰减器电缆将引起一些信号幅值损耗。一种测试设置到另一种测试设置的损耗变化必须是：直流到1GHz为±0.3dB，1GHz到4GHz为±0.8
dB。表1显示，不到1 dB的系统精度变化可能极大地影响测量准确性。
表1，系统精度变化造成一定比例的测量误差。
图4显示了来自“老式”ESD目标的电流波形，在示波器屏幕上显示为一个电压数。当连接50Ω负载时，目标转移函数近似1
V/A。当ESD脉冲为8 kV时，目标将输出约30 V，但是多数示波器的输入电压限制为10 V，这正是衰减器的作用所在。当通过20
dB衰减器运行信号时，示波器将显示3 V。当测量的ESD放电高达25 kV时，将需要一个额外的20
dB衰减器，以便使信号电平额外降低10倍。
选择示波器 选择示波器时要仔细查看仪器的带宽、上升时间和噪声。为了不发生采样误差，准确测量信号，示波器必须具备足够的带宽。尽管4倍带宽更为常见，但是高斯响应型示波器可能要求采样速率高达示波器带宽的6倍。
对于数字示波器，还必须注意采样速率。数字示波器的可用带宽具有比较平坦的响应，而在超出3
dB频率时有急剧的滚降。因此，需要采样速率为示波器带宽的2.5倍，以免发生混叠误差。
为了使示波器能够准确显示ESD脉冲的上升时间，它必须具有足够的带宽和上升时间。要确定一种示波器的性能是否足够，需要有不同的模拟和数字模型（参考文献4）。
对于模拟示波器，通常可接受的上升时间和带宽规则为：
* 带宽=0.35/上升时间，或者上升时间=0.35/带宽。
* 示波器的上升时间必须少于输入信号上升时间的三分之一，以便使测量上升时间的误差不超过5%。
对于数字示波器，使用以下计算方法：
* 带宽大约0.43/上升时间
* 示波器的上升时间只需要是信号上升时间大约0.7倍，以便使测量上升时间的准确率达到百分之几。
数字示波器的频率响应较为平坦，这可使它们在低于–3
dB的频率时的损耗低于模拟示波器的损耗。因此，数字示波器的测量更准确。其次，数字示波器的滚降更为陡峭，有助于减少混叠误差。
一般而言，人体ESD脉冲的上升时间不到200 ps。要准确显示这一点，需要大约0.43/200 ps（
2.15GHz）的带宽。一些ESD模拟器可产生50 ps的上升时间，因此需要示波器带宽为
8.6GHz。
与上升时间相比，IEC和ANSI标准对测量可重复性的要求更为严格。要捕获ESD，必须将示波器设置为“单次采样”模式。如果示波器对上升时间重复测量返回多种不同的答案，那么在任何一种情况下都不能依靠它来准确测量上升时间，即使在多次测量的平均值高度准确的情况下也是如此。单次采样可重复性的一个重要因素是内部噪声低，因此在评估用于ESD测试的示波器时要比较噪声规范。
示波器的带宽越高，它捕获ESD脉冲的上升沿就越准确。表2显示，示波器的上升时间直接影响测量一个ESD脉冲的上升时间。对于上升时间为700
ps的脉冲，需要带宽至少为4 GHz的示波器，以便使误差低于1%。在测量上升时间时，要将这一误差与任何系统误差相加。
表2，不同示波器带宽下ESD信号实际上升时间与实际测得的上升时间对比
要测量ESD脉冲，需将示波器设置为单次采样模式，并使用正脉冲触发。将触发级别设置为略高于零。要捕获整个波形，可能需要微调触发级别。将垂直灵敏度设为0.5
V/div或1 V/div，并将时基设为20 ns/div。假定测量信号是三角形（便于计算），测量的800 ps上升时间需要
10 Gsps采样速率，该速率等于100 ps/采样，或者在一个上升沿进行8次采样，足以准确地表示它。
在进行任何预达标或达标测试证实模拟器运行正常之前，一定要执行并记录验证测试。然后，在完成验证测试后，可执行审查或认证测试，确知ESD模拟器运行正常。
关于作者：Kenneth Wyatt holds degrees in biology and electronic engineering.
He worked as a senior EMC engineer for Hewlett-Packard and Agilent
Technologies for 21 years. He has written articles and presented
conference papers on RF amplifier design, RF network analysis
software, EMC design, and harmonic comb generators for predicting
shielding effectiveness. He is a senior member of IEEE and a
long-time member of the IEEE EMC Society where he serves as
photographer. He is also a member of the dB Society and is a
licensed amateur radio operator.
ken@emc-seminars.com.参考文献：1. IEC 61000-4-2, “Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-2:
Testing and measurement techniques - Electrostatic discharge
immunity test,” International Electrotechnical Commission, Geneva,
Switzerland, 2001, www.iec.ch.
2. ANSI C63.16-1993, “American National Standard Guide for
Electrostatic Discharge Test Methodologies and Criteria for
Electronic Equipment,” American National Standards Ins titute, New
York, NY. www.ansi.org.
3. Senko, Greg, and Ken Wyatt, “ESD Simulator Verification,” IEEE
EMC Society, 2003, www.ewh.ieee.org.
4. Weller, Dennis, “Relating wideband DSO rise time to bandwidth:
Lose the 0.35!” EDN, December 12, 2002, p. 89. www.edn.com.
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