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测量高速信号快速且比较干净的测量方法
测量高速信号快速的、比较干净的测量方法
您想在高速信号上进行快速而又比较干净(精确)的测量吗？
没时间把探头尖端焊接到器件上？
不确定高速设计的问题来自哪儿？
这些都是工程师们经常遇到的问题。
随着时间压力越来越大，偶发问题阻碍项目竣工，您需要一种快捷、简便、高性能的方法，来测量高速信号。
在示波器上捕获信号的传统方式一直是采用手持式示波器探头。
这种点测探头方式值得信赖，有很多优势，如通过在不同测试点之间移动探头尖端，能够迅速扫描一系列信号。
如果不担心测量的保真度，那幺这种浏览方式的效果很好，因为看到DC电压电平或工作时钟已经足够了。
如果需要更详细的分析或更高的测量保真度，那幺许多工程师会选择把探头尖端焊接到电路板上。
而现在，由于泰克P7700探头的问世，工程师们有了一种新的选择，可以使用精密的点测探头尖端连接到高带宽差分探头或TriMode™探头上。
通过新的高带宽点测探头尖端，您可以快速简便地在不同测试点之间移动探头，同时仍能保持测量保真度。
物理挑战
您可能会说：我需要探测形状非常小的电路特点和元器件。
我的元器件尺寸是0201，差分线对最近可能会达到14mils (0.35mm)。
当前元器件体积这幺小，电路板密度这幺高，接触测试点极具挑战性。
此外，测试点通路是BGA 封装部件背面的通路或位于较大部件之间的解耦电容器。
电路板设计试图把尽可能多的功能封装到器件中，只要PCB设计规则允许，那幺通路间距会尽。
高速信号常见问题分析（一）----一个25MHZ时钟信号的单调性问题测试分析美国力科公司上海代表处胡为东【摘要】本文结合实际测试中遇到的时钟信号回沟问题介绍了高速信号的概念，进一步阐述了高速信号与高频信号的区别，分析了25MHZ时钟信号沿上的回沟等细节的测试准确度问题，并给出了高速信号测试时合理选择示波器的一些建议。
【关键词】高速信号示波器时钟回沟带宽采样率一、问题的提出下图1为一个25MHZ 时钟信号的测试结果截图：图1 使用一个1G带宽、10GS/S的示波器测试一个25M的时钟信号的频率、上升时间等测试结果测得上升时间为485ps，时钟频率为25MHZ左右。
从这个测试结果图上我们并不能看出什么问题来，时钟频率的偏差也很小。
对于时钟信号，我们通常是使用其上升沿或者下降沿的中间电平位置来采样数据，因此时钟信号上升沿或者下降沿的单调性就显得非常重要。
下图2为该时钟上升沿的细节，从该图上我们可以清楚的看到示波器对该信号的采样点位置及采样点个数。
图2 使用一个1G带宽、10GS/S的示波器测试一个25M的时钟上升沿的测试结果从图2上我们可以看到波形上升沿比较平滑，单调性很好。
那么如果我们用一个更高带宽、更高采样率的示波器来测这个时钟会有什么样的变化呢？下图3为用一个6G带宽的示波器，20GS/s采样率去测量该时钟信号，我们发现在该时钟信号的上升沿的中点位置处明显有一个回沟，说明事实上该时钟信号的上升沿是非完全单调的！图3使用一个6G带宽、20GS/S的示波器测试一个25M的时钟上升沿的测试结果那么到底是由于示波器带宽的原因还是由于示波器采样率的原因导致该时钟信号在1G带宽的示波器上和6G带宽的示波器上测试结果的差异呢？下图4为用一个6G带宽的示波器，10GS/s采样率去测量该时钟信号的测试结果图：图4 使用一个6G带宽、10GS/S的示波器测试一个25M的时钟上升沿的测试结果从图4中我们可以看到，波形的回沟已经变得很不明显，和1G带宽，10GS/s 采样率的示波器测得的结果很类似，另外我们还将6GHZ带宽的示波器带宽限制到了1GHZ ,当使用10Gs/s的采样率的时候，上升沿上看不到回沟；当使用20Gs/s 的采样率的时候，能够看到回沟，通过分析比较我们应该可以认为该时钟信号的非单调边沿未能准确测试主要原因应该是示波器采样率不足，示波器带宽也可能有一定的影响，但是影响应该很小。
高速信号:通常我们定义，一个信号边沿的上升时间如果小于等于4~6 倍的信号传输延时，则认为该信号是高速信号，对该信号的分析要引入传输线理论，而该信号的设计也要考虑信号完整性问题。
如对于一个10MHz 的信号，假设其边沿的上升时间为1ns，而常见的FR- 4 基材的PCB 的表层走线的传输速度为180ps/inch。
可以推算，如果该信号从源端到宿端的走线长度超过了28000mil，就必须作为高速信号对待了。
阻抗不匹配可能带来的问题阻抗不匹配可能引起很多信号质量问题，最常见的包括过冲、振荡、台阶、回沟等。
这些信号质量问题可能会给电路的可靠工作埋下隐患甚至导致系统完全失效。
（1）过冲过冲多是由于驱动太强或匹配不足而导致，过冲的幅度如果超过了芯片允许的最大输入电压，则会对芯片造成损伤，导致器件寿命大大降低。
（2）振荡振荡多是由于传输线上电感量太大或阻抗不匹配而引起多次反射造成的。
如果振荡的幅度太大同样会对器件寿命造成损伤，同时，振荡会使系统的EMC 性能劣化。
另外，如果振荡的幅度超过了信号的判决电平，则会造成错误判决。
（3）台阶产生台阶的可能原因是匹配电阻过大，台阶如果出现在阈值电平附近可能会导致错误判决。
（4）回沟产生回沟的原因可能是匹配电阻过大或串扰。
回沟也会导致错误判决，而且，如果时钟信号在阈值电平附近出现回沟，则可能导致时序电路两次触发。
阻抗匹配端接策略（1）使负载阻抗与传输线阻抗匹配，即并行端接；（2）使源阻抗与传输线阻抗匹配，即串行端接。
如果负载反射系数或源反射系数二者任一为零，反射将被消除.一般应采用并行端接,因其是在信号能量反射回源端之前在负载端消除反射,这样可以减少噪声、电磁干扰以及射频干扰。
但是串行端接比较简单，应用也很广泛。
并行端接并行端接主要是在尽量靠近负载端的位置加上拉或下拉阻抗以实现终端的阻抗匹配，根据不同的应用环境，并行端接又可分为以下几种类型：①简单的并行端接②戴维宁（Thevenin）并行端接③主动并行端接④并行AC 端接⑤二极管并行端接串行端接串行端接是通过在尽量靠近源端的位置串行插入一个电阻（典型阻值10Ω到75Ω）到传输线中来实现的。
你不知道的一些高速时域测量的实用技巧进行准确的高速时域测量可能具有挑战性，但找到有助于改进某种技术的信息不应该如此。
了解示波器和探头的基础知识总是有帮助的，但是可以采用一些额外的技巧和一些好的老式常识工程来帮助产生快速和准确的结果。
以下是我在过去25年中积累的一些技巧和技巧。
将测量工具包中的一部分纳入您的测量工具包中可以帮助您提高测量结果。
只需从架子上抓取示波器，抽屉中的探头就无法进行高速测量。
在为高速测量选择合适的示波器和探头时，首先要考虑：信号幅度，源阻抗，上升时间和带宽。
选择示波器和探头有数百种示波器可用，从非常简单的便携式型号到专用的机架式数字存储示波器，可能需要花费数十万美元（仅一些高端探头可能需要花费超过10,000美元）。
伴随这些示波器的各种探头也令人印象深刻，包括无源，有源，电流测量，光学，高压和差分类型。
提供对可用的每个示波器和探头类别的完整和全面的描述超出了本文的范围，因此我们将重点关注利用无源探头进行高速电压测量的范围。
示波器这里讨论的探针和探针用于测量以宽带宽和短上升时间为特征的信号。
除了这些规范外，还需要了解电路对负载电阻，电容和电感的敏感性。
使用高电容探头时，快速上升时间会变形;在某些应用中，电路可能根本不能容忍探头的存在（例如，当电容放在其输出端时，某些高速放大器会振铃）。
了解电路限制和期望将有助于您选择适当的示波器和探头组合以及使用它们的最佳技术。
首先，信号带宽和上升时间将限制范围选择。
一般准则是示波器和探头带宽应至少为被测信号带宽的三到五倍。
带宽被测信号是否以模拟信号或在数字电路中，示波器需要有足够的带宽来忠实地再现信号。
对于模拟测量，测量的最高频率将决定示波器带宽。
对于数字测量，通常是上升时间- 而不是重复率- 决定了所需的带宽。
示波器的带宽以-3 dB频率为特征，即正弦波显示幅度。
四步检查法轻松搞定示波器测量高速信号随着电子技术的高速发展，通信信号频率越来越高，信号质量要求也越来越严。
那么要测量这些高速信号要用什么参数的示波器呢？有些人就会说那选一个贵一些高端一些的示波器不就可以了么。
其实并不是这样的，如果不注重一些细节问题用再贵的示波器也不见得能够测量的很精准。
下面看看如何更好的利用示波器来测量高速信号：一、带宽的选择：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500MHz的信号，用一个500MHz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500MHz带宽的示波器就可以测量500MHz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。
示波器测量高速信号时的注意事项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。
