在示波器測量領(lǐng)域，存在一種常見的錯(cuò)誤認(rèn)知：人們往往以為示波器測量的準(zhǔn)確性僅僅取決于儀器本身的規(guī)格，例如屏幕上顯示的波形數(shù)量。然而，實(shí)際情況遠(yuǎn)非如此簡單，測量準(zhǔn)確性是一個(gè)復(fù)雜的概念，它與測量設(shè)置緊密相關(guān)，確切地說，取決于測量設(shè)置下被測信號(hào)完整性的保持程度。任何測量的有效性，最終都取決于在整個(gè)測量過程中信號(hào)完整性是否得以維持。

示波器要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確測量，必須借助探頭與被測電子電路相連。探頭在這個(gè)過程中扮演著不可或缺的角色，它的任務(wù)是確保抵達(dá)示波器的信號(hào)純凈、無失真，并且盡可能地接近電路中原本的信號(hào)。如果缺乏恰當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)節(jié)，即便示波器有著高分辨率，也可能得出誤導(dǎo)性的結(jié)果，進(jìn)而削弱示波器在實(shí)際測量中的價(jià)值。

示波器的準(zhǔn)確性：ADC分辨率并非唯一決定因素

示波器信號(hào)測量的準(zhǔn)確度并非由某一個(gè)單獨(dú)的參數(shù)所決定。人們最常犯的錯(cuò)誤就是將示波器的準(zhǔn)確度與示波器ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的分辨率混為一談。誠然，更高的ADC分辨率意味著信號(hào)能夠以更多的離散級(jí)別來表示，但這一高分辨率并不能解決現(xiàn)實(shí)世界中的諸多問題，像噪聲、失真或者饋入ADC的信號(hào)路徑的質(zhì)量等問題。

為了獲取更高的測量準(zhǔn)確性，有效位數(shù)(ENOB)通常會(huì)被采用。ENOB考慮到了噪聲、失真以及其他影響示波器前端測量鏈的缺陷。不過，測量鏈并非起始于示波器的連接器，而是從探測系統(tǒng)開始。要實(shí)現(xiàn)高ENOB，不僅需要性能良好的示波器，還要求整個(gè)探測系統(tǒng)具備出色的信號(hào)調(diào)節(jié)能力。在某些情形下，如果低分辨率的示波器配備了高質(zhì)量的探頭并且進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)節(jié)，相較于那些具有較高標(biāo)稱ADC分辨率但信號(hào)調(diào)節(jié)較差的示波器，其測量結(jié)果可能會(huì)更準(zhǔn)確。

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量的探頭的基本特性

要確保抵達(dá)示波器的信號(hào)盡可能少地受到衰減，必須考量兩個(gè)關(guān)鍵要素：探頭規(guī)格以及使用探頭的工程師的技能。不同類型的探頭具備不同的特性，而這些特性對(duì)于各類應(yīng)用中的正確信號(hào)調(diào)節(jié)至關(guān)重要。

例如，無源探頭的重要性常常被人們低估。無源探頭用于在信號(hào)到達(dá)示波器之前對(duì)其進(jìn)行衰減，從而防止前端超出輸入電壓限值。阻抗為1MΩ的無源探頭非常適合高阻抗電路，因?yàn)檫@種探頭在測量信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的干擾極小。但無源探頭還需要具備極小的電容負(fù)載和寬帶寬，以與示波器的輸入帶寬相匹配。以泰克TPP1000無源探頭為例，它提供1GHz的帶寬以及小于4pF的電容負(fù)載，這有助于保持信號(hào)的完整性。

圖 1：探頭的額外電容會(huì)增加電阻值和電容值，從而增加測量的上升時(shí)間。

在高速數(shù)字信號(hào)應(yīng)用中，無源探頭并非理想之選，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致電路過載并限制信號(hào)帶寬。針對(duì)這種情況，帶有準(zhǔn)確內(nèi)置放大器的有源探頭應(yīng)運(yùn)而生，這類探頭能夠?yàn)殡娐诽峁┑妥杩关?fù)載并且保持信號(hào)保真度。在某些特定的應(yīng)用場景中，例如寬禁帶技術(shù)支持的快速開關(guān)功率電子組件，要求實(shí)現(xiàn)最大可能的帶寬和電壓容量。

這個(gè)例子清晰地表明了“示波器 + 探頭”鏈相較于單純的示波器ADC分辨率更為重要的原因。實(shí)際上，在這些場景中，特別是在嘈雜的環(huán)境里，或者在處理淹沒于大共模噪聲中的小差分信號(hào)時(shí)，抑制噪聲和干擾的任務(wù)主要依靠探頭本身。泰克有源探頭具有低輸入電容和高輸入阻抗的特性，這意味著探頭對(duì)被測電路的負(fù)載影響極小，這對(duì)于保持信號(hào)的完整性極為關(guān)鍵，同時(shí)也確保了測量行為本身不會(huì)改變電路的運(yùn)行狀態(tài)。在某些情況下，為了在寬帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)共模抑制性能，需要進(jìn)行電流隔離，就像利用寬禁帶新材料進(jìn)行快速開關(guān)功率電子組件測試時(shí)那樣。

信號(hào)路徑和測量鏈

測量鏈的重要性并不局限于探頭本身。整個(gè)信號(hào)路徑(包括電纜、適配器和探頭尖端)在保持信號(hào)準(zhǔn)確性方面都發(fā)揮著極為重要的作用。為了防止共模噪聲對(duì)信號(hào)造成扭曲，采用適當(dāng)?shù)钠帘魏透綦x措施并且避免接地環(huán)路是非常必要的。

每一種特定的測量場景都需要一個(gè)精心設(shè)計(jì)的探測系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)包括針對(duì)不同類型的測試點(diǎn)(例如細(xì)間距引線或測試墊片)進(jìn)行優(yōu)化的合適的探頭尖端和附件。使用合適的探頭尖端能夠確保信號(hào)的捕獲質(zhì)量，避免引入額外的電阻、電容或電感，從而防止測量失真。

圖 2：從測試設(shè)備到示波器輸入的完整信號(hào)路徑。

圖 3：IsoVu 探頭可抑制共模干擾，真實(shí)呈現(xiàn)信號(hào)。

結(jié)論：信號(hào)調(diào)節(jié)有助于準(zhǔn)確測量

盡管示波器分辨率是影響信號(hào)測量的一個(gè)重要因素，但絕不是唯一的考量因素。如果信號(hào)調(diào)節(jié)不善，導(dǎo)致信號(hào)在到達(dá)示波器之前就已經(jīng)受損，那么即便使用高分辨率的儀器，也會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果。通過使用高質(zhì)量的探頭進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)節(jié)，可以確保將信號(hào)的完整性(包括其幅度、頻率和相位特性)從被測電路如實(shí)傳輸?shù)绞静ㄆ?，從而避免引入噪聲、失真或者?fù)載效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更可靠、更準(zhǔn)確的測量。

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審核編輯 黃宇