做精确高速时域丈量或许很困难，但寻觅有助于改善丈量办法的信息并不困难。了解示波器和探头的基本原理总是有用的，但还 需求把握几种额定的本行业技巧和一些有利的传统工程知识以便有助于取得快速精确的成果。下面是我在曩昔25年中堆集的一些技巧和办法。即便将其间一两种方 法运用于您的丈量计划，也会有助于改善您的丈量成果。
不能简略地搬一台现成的示波器和随意从抽屉里取一根探头用于高速丈量。当为高速丈量挑选适宜的示波器和探头时，首要应该考虑：信号起伏、信号源阻抗、上升时刻和带宽。
挑选示波器和探头
现在有上百种示波器可供挑选，从十分简略的便携式示波器到价格达几十万美元的专用台式数字存储示波器（有些高级探头自身 价格就或许达一万美元以上）。与这些示波器般配的各种探头品种也十分多，包括无源、有源、电流丈量、光丈量、高电压丈量和差分信号丈量探头。对现有每一种 示波器和探头品种进行全面彻底的描绘超出了本文规模，因而咱们将会集评论运用无源探头适宜高速电压丈量的示波器。这儿所评论的示波器和探头一般用于丈量具有宽带和短上升时刻特性的信号。除了这些目标外，咱们还需求知道电路对负载的灵敏度，包括阻性负载、容性负载和理性负载。例如，当运用大电容探头时，丈量 快速上升时刻的信号会发生失真；在有些运用中，电路底子不答应探头刺进其间（例如，有些高速扩大器，当将电容放在其输出端时会发生振动）。了解电路的极限值和希望值会有助于您挑选适宜的示波器和探头组合以及运用它们的最佳办法。
首要，信号带宽和上升时刻会约束示波器的挑选。一般原则是示波器和探头的带宽应该至少是待测信号带宽的三到五倍。
带宽
不论待测信号出现在模仿电路仍是数字电路，示波器都需求具有满足的带宽以如实地再现信号。关于模仿信号丈量，待测信号的最高频率将决议示波器的带宽。关于数字信号丈量，一般是上升时刻 — 而不是重复频率 — 决议所需求的示波器带宽。
一般用-3 dB频率表明示波器的带宽，在-3dB场所显现的正弦波的起伏相对最大输入起伏下降到70.7％，即
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确保示波器具有满足带宽以使差错最小至关重要。绝不应该在示波器的-3 dB带宽邻近做频率丈量，因为这在丈量正弦波时会主动引进30％的起伏差错。图1所示是起伏精度随待测信号频率与示波器带宽比改变的典型衰减曲线。
图1. 起伏衰减曲线
例如，300 MHz的示波器在丈量300 MHz频率处差错会高达30％。为了将差错坚持在3％以下，其能够丈量的最大信号带宽大约是0.3×300 MHz或90 MHz。换句话说，为了精确地丈量100 MHz信号（<3%差错），您需求至少300 MHz带宽的示波器。图1的衰减曲线说明晰要害一点：为了坚持起伏差错合理，示波器和探头组合的带宽应该至少为待测信号带宽的3到5倍。为了确保起伏差错 小于1％，示波器的带宽应该至少为信号带宽的5倍。
关于数字电路，上升时刻特别重要。为了确保示波器将如实地再现上升时刻，能够运用预期的上升时刻来确认示波器的带宽要求。这种联系假定电路呼应类似于一个单极点、低通RC网络，如图2所示。
对一个施加的电压阶跃信号的呼应，其输出电压能够运用公式（2）核算。
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对一个阶跃呼应的上升时刻界说为其输出起伏从阶跃起伏的10％上升到90％所花费的时刻。运用公式（2），阶跃起伏 10％对应的时刻是0.1 RC，90％则对应2.3 RC。它们之间的差值是2.2 RC。因为-3 dB带宽（f）等于1/(2π RC)，而且上升时刻（tr）等于2.2 RC，所以
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因而，关于单极点探头呼应，咱们能够运用公式（3）核算出信号的等效带宽，假如已知上升时刻。例如，假如信号的上升时刻是2 ns，则等效带宽为175 MHz。
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为了坚持3％的差错，示波器和探头的带宽至少应该是待测信号带宽的3倍。因而应该运用600 MHz 带宽的示波器来精确丈量2 ns的上升时刻。
探头的结构
考虑到探头的简略性，它是一个十分值得留意的设备。探头由一个讨论顶级（它包括一个并联的RC网络）、一段屏蔽线、一个 补偿网络和一个地线夹组成。探头最重要的要求是在示波器和待测电路之间供给一个非侵入式接口 — 尽或许不影响电路，一起答应示波器能够简直完美地再现待测信号。
曩昔为了丈量栅级和板极电压时，需求高阻抗以减小信号节点的负载。所以先将探头放在在真空室几天，待开端丈量时再取回。当今这个原理依然十分重要。高阻抗探头不会对待测电路添加太大的负载，因而在丈量节点上可供给实在信号的精确波形。
依据我的实验室经历，最常用的探头是10倍和1倍无源探头；10倍有源场效应晶体管（FET）探头是次常用的。10倍无 源探头将信号削减到本来的十分之一。1倍探头没有衰减，能够直接丈量信号。它具有1MΩ输入阻抗，而且探头顶级的电容高达100 pF。图3示出是10倍衰减、10 MΩ探头的典型原理图。
图3. 探头原理图
Rp(9 MΩ)和Cp坐落探头顶级内，R1表明示波器的输入阻抗，C1表明示波器的输入电容和探头补偿箱电容的组合值。为了精确地丈量，两个RC时刻常量（RpCp和R1C1）有必要持平；任何不平衡都会引进上升时刻差错和起伏差错。因而，在丈量前总是要校准示波器和探头的作业十分重要。
校准
在取得一台能够作业的示波器和探头后应该要做的第一项作业是校准探头以确保其内部RC时刻常量匹配。不要太频频校准，因为没有必要。
图4示出怎么正确地将探头衔接到示波器的探头补偿输出。运用非磁性调理东西调理补偿箱中的调理螺螺丝完结校准一向观察到平整的波形呼应。
图4. 校对示波器的探头
图5示出了欠补偿、过补偿和合理补偿三种状况下探头发生的波形。
请留意欠补偿和过补偿讨论会引进很大的上升时刻丈量差错和起伏丈量差错。有些示波器具有内置校对。假如您的示波器具有内置校对，请确保在丈量之前进行校准。
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图5. 探头补偿：(a)欠补偿；(b)过补偿；(c)合理补偿
地线夹和高速丈量
地线夹固有的寄生电感会使其与实践高速丈量彼此排挤。图6示出示波器探头和地线夹的原理示意图。其间探头LC组合构成一个串联共振电路——共振电路是示波器的根底。
图6. 等效探头电路
这种附加的电感并不是所希望的特性，因为串联LC组合或许会对其它洁净的波形的添加很大的过冲和振动。这种过冲和振动通 常不会引起留意，因为示波器的带宽有限。例如，假如运用一台100 MHz带宽的示波器丈量一个包括200 MHz振动波形的信号时，咱们看不到振动，因为信号受示波器带宽约束大起伏衰减。请记住，关于100 MHz带宽的示波器，图1示出在100 MHz处衰减3 dB，每倍频程会接连下降6 dB。因而200 MHz的寄生振动会下降将近9 dB，大约减小到原信号起伏的35％，然后很难看到。可是，跟着示波器丈量速度的进步和带宽的添加，地线夹的影响能够明显地看到。
运用公式(5)核算地线夹的串联电感可估量地线夹引进的振动频率。L表明单位为纳亨（nH）的电感，l表明以英寸（in）为单位的导线长度，d表明以英寸（in）为单位的导线直径。
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然后将公式(5)的成果带入公式(6)核算共振频率f(Hz)。L表明以亨利（H）为单位的地线夹电感，C表明勘探节点的总电容（F）—— 探头电容和任何寄生电容的组合。
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现罗列几个运用不同长度导线的地线夹的实例。在第一个实例中，运用一个带6.5 in长地线夹的11 pF探头丈量一个快速上升的脉冲沿。丈量成果如图7所示。乍一看脉冲呼应很洁净，可是仔细观察会发现一个起伏很低的100 MHz衰减振动。
图7. 运用6.5 in地线夹的丈量成果
现在咱们用公式(5)和公式(6)表明探头的物理特性查看这个100 Mhz振动是是否由接地引脚发生的。地线夹长度为6.5 in，导线直径为0.03 in；这会发生190 nH的电感。将该值带入公式(6)，而且C＝13 pF（11 pF示波器探头电容的和2 pF杂散电容）会发生大约101 MHz的振动。这种与观察到的频率亲近相关性答应咱们判定6.5 in地线夹是发生低起伏振动的原因。
现在考虑一个愈加极点的状况，在这儿施加一个2 ns上升时刻的快速信号。这一般用于许多高速PC板。图8a示出运用TD2000系列示波器观察到的很大的过冲和延伸振动。原因是2 ns的快速上升时刻和175 MHz的等效带宽具有满足大的能量鼓励探头引脚的100 MHz串联LC发生振动。过冲和振动大约是峰峰值的50％。来自典型接地的这种影响能够清楚地看到而且在高速丈量中彻底不能承受。
撤销接地引脚后，能够愈加实在地看到对施加输入信号的呼应波形（见图8b）。
为高速丈量预备探头
为了取得有意义的示波器丈量波形，咱们需求去掉地线夹电路而且要拆开探头。一定要要对探头做正确地拆开！要撤除的第一个 部件是按压式探头顶级适配器。接下来，旋开包在探头顶级外面的塑料套筒。然后要撤除的是地线夹。图9示出示波器探头改善前（a）和改善后（b）的探头外 形。图9（c）示出运用6 in地线夹丈量脉冲发生器的上升沿；图（d）示出运用为高速丈量预备的探头〔见图9（b）〕做相同丈量的丈量成果。如图8所示，改善的丈量成果十分明显。
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图8. (a)运用6.5 in地线夹丈量2 ns上升时刻的阶跃呼应； (b)没有地线夹时的阶跃呼应。
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图9. ( a)从箱子里取出未改善的探头；(b)为高速丈量改善的探头；(c)运用未改善的探头的丈量成果；(d)运用改善后探头的丈量成果。
(a)
(b)
(c)
图10. 去掉示波器探头的接地办法
接下来，为了校准需求直接拆开探头（见图4）。一旦完结校准，探头就能够预备运用了。探头直接接近某个测试点一起将探头 的金属外套衔接一个部分接地。要害是怎么在示波器探头外套上做恰当的接地衔接。这样可消除运用探头地线夹引进的串联电感。图10a示出运用改善探头的正确 丈量办法。假如探头直接接地很不便利，能够运用一付金属镊子、一把小螺丝刀或乃至一个改善地线衔接的纸夹子，如图10b所示。能够将一段短的裸线在探头的 金属外套上绕几圈（地线环），如图10c所示，然后可进步丈量灵活性而且能够丈量多点（在小规模内）。
假如可行的话，更好的办法是在PCB板上规划专用的高频测试点（见图11）。这种探头顶级适配器可供给上述运用裸探头顶级的一切长处，然后能够敏捷精确地丈量许多测试点。
图11. PCB到探头尖适配器
探头的电容效应
探头电容会影响上升时刻和起伏丈量；它也会影响某些器材的稳定性。
探头电容会直接添加被测节点的电容。附加的电容会添加该节点的时刻常数，然后使得脉冲的上升沿和下降沿变缓慢。例如，如 果将一个脉冲发生器与一个恣意的容性负载相连，其间CL＝C1，如图12所示，然后运用公式（7）核算相关的上升时刻，其间中Rs（＝R1，见图12）是 信号源的阻抗。
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图12. 由RC负载决议的上升时刻
假如Rs＝50Ω，CL＝20 pF，则tr＝2.2 ns。
接下来，咱们考虑运用一个具有10 pF电容、10:1衰减比的探头丈量相同的电路。新电路如图13所示。现在总电容是31 pF，新的上升时刻是3.4 ns，上升时刻添加了54％！明显这无法让人承受，可是否有其它的挑选呢？
图13. 附加的探头电容
有源探头是丈量高速电路的另一种好的挑选。有源探头或FET探头包括一只有源晶体管（一般是FET管）能够扩大信号，而 无源探头只能衰减信号。有源探头的长处是具有极宽的带宽、高输入阻抗和低输入电容。丈量高速电路的其它计划是运用具有高倍衰减比的示波器探头。一般，进步 探头的衰减比会减小其电容。
探头顶级的电容不只会在丈量上升时刻时引起差错，还会使一些电路发生过冲和振动，或许极点状况下使电路变得不稳定。例 如，许多高速运算扩大器对其输出端和反向输入端的容性负载的影响很灵敏。当在高速扩大器的输出端引进附加电容时（在这种状况下，指示波器探头18 Analog Dialogue第41卷第1期顶级），扩大器的输出阻抗和附加电容会在反应呼应中构成一个附加极点。该极点会发生相移而且减小扩大器的相位裕量，然后会 导致不稳定性。这种相位裕量的丢失会引起振铃、过冲和振动。图14示出运用Tektronix P61131 示波器带10 pF电容和10:1衰减的探头，而且选用适宜的高速接地丈量高速扩大器的输出。信号在发生了1300 mV的过冲而且随同12 ns的振动。明显，这个探头对该运用不适宜。
图14. 运用10 pF探头丈量高速扩大器的输出
走运的是有几种处理计划能够处理这个问题。首要，你能够运用一个较低电容的探头。在图15中，运用Tektronix P6204 1.1 GHz示波器带1.7 pF电容10:1衰减 FET管有源探头完结与图14所示相同的丈量，而且也是运用正确的高速接地。
图15. 运用1.7 pF 电容FET管有源探头丈量高速扩大器的输出
在这种状况中，运用较低电容的有源探头明显减小了过冲（600 mV）和振动时刻（5 ns）。别的一种办法是参加一个很小的与示波器探头串联的电阻（一般是25 Ω～50 Ω）。这有助于将探头%&&&&&%与扩大器的输出阻隔，而且减小振动和过冲。
传达推迟
丈量传达推迟的一种简略办法是一起丈量待测设备（DUT）的输入和输出。传达推迟很简单从示波器的显现屏上读出两个波形之间的时刻差。
可是，当丈量短传达推迟（<10 ns）时，有必要留意确保示波器两个探头的长度相同。因为导线的传达推迟大约是1.5 ns/in，不同长度的两个探头会发生相当大的差错。例如，运用3英尺（ft）的探头和6 ft的探头发生的信号传达推迟差错大约是4.5 ns — 当进行单位数或双位数纳秒（ns）丈量时该差错相当大。
假如没有两根长度持平的探头（经常会遇到这种状况），请按如下操作：将两根探头衔接到同一信号源（例如脉冲发生器）而且记载传达推迟差，称为“校准因子”。然后将从长探头的读数中减去“校准因子”，然后可校准丈量成果。
定论
尽管高速丈量并不是太杂乱，但当冒险在实验室做高速时域丈量时有必要考虑许多要素。示波器的带宽、校准、上升时刻和探头的挑选以及探头顶级和地线长度都对丈量的质量和完好性起重要作用。运用这儿介绍的一些办法有助于加快丈量进程而且改善丈量成果的整体质量。
