细节不注意,再贵的示波器也测得准高速信号

2018-12-06 11:22:03 来源:ofweek
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随着电子技术的快速发展,通信信号频率越来越高,信号质量要求也越来越严。测量这些高速信号是不是只要选一个昂贵的示波器就行了呢?其实不然,如果一些细节没有被注意,再贵的示波器也不见得测得准!

 

一、带宽选择

测量高速信号,首先要考虑测试系统的带宽,这个测试系统的带宽包括探头的带宽和示波器的带宽。要测量100MHz的信号,用一个100MHz带宽的示波器是不是就可以了?一些用户可能对带宽的概念并不是很清晰。认为100MHz带宽的示波器就可以测量100MHz的信号了,其实并不是这样。带宽所指的频率是正弦波信号衰减到-3dB时的频率,而我们一般测量的数字信号都不是正选波,而是接近方波。这两者对带宽的需求是不同的。

 

根据傅里叶变换可知,方波可以分解为奇次倍数频率的正弦波。比如1MHz的方波,是由1MHz、3MHz、5MHz、7MHz……等正弦波叠加而成。下图为不同滤波器下方波信号的响应。分别为把滤波器设置为方波基频频率、3次谐波频谱、5次谐波频率、7次谐波频率的方波响应。

 

图1 截至频率为方波频率的滤波情况

 

图2 截至频率为方波3次谐波频率的滤波情况

 

图3 截至频率为方波5次谐波频率的滤波情况

 

图4 截至频率为方波7次谐波频率的滤波情况

 

可以看出想要得到较为完整的方波信息,最少需要5次谐波分量,而且如果想要获得更加准确的信息,就需要能够测量到更多的谐波分量。

 

所以选择示波器和探头带宽时至少要选择被测量方波信号的5次谐波频率以上的带宽。

 

二、探头的选择

示波器是无法直接对信号进行测量的,必须通过一个物理连接将信号传输到示波器内。这种物理连接就是探头。探头对高速信号测量来说至关重要。普通无源探头一般有1:1探头和10:1探头两种。这两种探头除了衰减比例不同外,还会对高速信号产生很大的差异。想要解释这个问题,需要现讨论一下探头的一个关键特性——负载效应。

 

理想情况下,我们希望我们的测量设备的阻抗无穷大,这样测试设备的接入就不会对被测系统产生任何影响,从而保证测量的真实性。但是遗憾的是测量系统不可能有无穷大的输入阻抗,而这时候,测量设备的接入,会对被测系统产生什么影响呢?假设被测试系统如下图所示。

 

图5 被测系统等效示意图

 

可以看出,测量点电压:

 

 

而当采用示波器进行测量时,由于示波器的输入电阻和寄生电容,会使得此时的等效电路图如下图所示:

 

图6 探头接入等效示意图

 

可以看出,此时测量点电压为:

 

 

其中Rin为输入阻抗,Cin为寄生电容,s代表频率。可以看出,此时测试点的电压已经发生了变化,这导致了探头接入前后,信号本身已经发生了改变。通过公式可以看出,Rin越大,对信号影响越小。而1/(Cin×s)这项是寄生电容与测量信号频率的乘积的倒数,当测试信号频率越高,则这项的影响就越大,要想降低该项的影响,只能尽量降低寄生电容Cin的容值。

 
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