示波器常识概述及简介_专业集成电路测试网-芯片测试技术-ic test

1、示波器分类

DSO：数字存储示波器；

MSO：混合信号示波器，将传统的 DSO 测量模拟与逻辑分析测量相结合。

2、示波器探头提供高阻抗输入的原因
示波器探头在测试点提供相对较高的输入阻抗端子功能（高电阻，低电容）。高阻抗连接对于将测量仪器与测试电路分隔开来非常重要，因为我们不希望示波器及其探头改变测试信号的特征。

3、常见的无源10：1探头
“无源”仅意味着此类型的探头不包括任何“有源”组件，如晶体管和放大器。“10:1”意味着此探头将以 10 为常量衰减示波器输入中接收的输入信号。（本质上是分压电路）

下图显示了使用示波器的默认 1 MΩ 输入端子选择（这是使用此类探头时必需的）连接到示波器时的 10:1 无源探头的电子模型。请注意，许多较高带宽的示波器还具有用户可选择的 50 Ω 输入端子选择，这种选择通常用于有源探头端子和／或使用 50 Ω BNC 同轴电缆从 50 Ω 电源直接输入信号时。

尽管无源探头和示波器的电子模型包括固有／寄生电容（非设计）以及特意设计的补偿电容网络，但是现在先忽略这些电容元件，并分析低频或直流电输入条件下此探头／示波器系统的理想信号行为。

从探头／示波器电子模型中删除所有的电容组件后，只剩下与示波器的 1 MΩ 输入阻抗串联的 9 MΩ 探头端部电阻。探头端部的净输入电阻则为 10 MΩ。此时示波器输入处接收的电压电平将为探头端部处电压电平：

1/10 (Vscope = Vprobe x (1 MΩ/10 MΩ))

这意味着，使用 10:1 无源探头时，示波器测量系统的动态范围已被扩展。换句话说，与使用 1:1 探头测量的信号相比，测量的信号幅度可高出 10 倍。此外，示波器测量系统（探头 + 示波器）的输入阻抗将从 1 MΩ 增加到 10 MΩ。这是好事，因为较低的输入阻抗可以负载测试设备 (DUT)，但是会更改 DUT 内的实际电压电平（这不是好事）。尽管净输入阻抗 10 MΩ 确实很大，但要明白的是，必须要考虑到与探测设备的抗阻相关的这一负载阻抗量。例如，具有 100 MΩ 反馈电阻器的简单运算放大器电路可能会在示波器上提供一些错误的读数。

实际使用10：1探头工作过程中，示波器知道探头衰减常数后（自动检测或手动输入），会提供所有垂直设置的补偿读数，以便将所有的电压测量引用到探头端部的无衰减输入信号。例如，如果探测 10 Vpp 信号，则在示波器输入处收到的信号实际上仅为 1 Vpp。但是，由于示波器知道使用的是 10:1 分压器探头，因此示波器在执行电压测量时将报告看到了 10 Vpp 的信号。

虽然对于低频或直流电应用，忽略电容元件是比较适宜的。但是，如果需要测量动态信号（示波器的主要测量应用），则不能忽略此电子模型的电容元件。

所有示波器探头和示波器输入中本身都固有寄生电容。这些包括探头电缆电容（C 电缆），以及示波器的输入电容（C 示波器）。“固有／寄生”仅意味着电子模型的这些元件非有意设计，而是真实电子世界中原本就存在的。固有／寄生电容的数量随着示波器的不同和探头的不同而异。但是，如果没有其他的设计电容组件来补偿系统中固有的电容元件，则系统在动态信号条件（非直流）下的阻抗会从探测系统的整体动态衰减改为不同于所需的 10:1 比率。沿着可调补偿电容（C 组件）分布其他／设计的探针电容器（C 探针）的目的是建立与 10:1 的阻性衰减匹配的电容阻抗衰减。正确调整补偿电容时，这还可以确保与 9 MΩ 电阻器并列的探针电容的时间常数，和与示波器的 1 MΩ 输入电阻器并列的固有和补偿电容的时间常数匹配。

实际中，不需花很多时间研究这一原理，只是连接到某个信号的时候学会理解欠补偿、补偿过度和适当补偿的影响。
（1）如果正确补偿了探头，则应在示波器显示屏上看到两个带有平坦响应的 1 kHz 方波，与下图类似：

（2）现在，让我们调整每个探头上的探头补偿，使用小的“一字”螺丝刀，调整位于每个探头主体上的可变电容器。请注意，此调整有时位于一些探头的 BNC 连接端附近。

下图显示了通道 1 探头（黄色波形）补偿过度的示例，以及通道 2 探头（绿色波形）欠补偿的示例。

拓展：补偿电容的计算
使用以下假设条件计算正确补偿所需的补偿电容 (C comp) 数量：

对于计算所需的补偿电容 (C comp) 数量，最早的方法是使 R tip 和 C tip 并联的时间常数 (1/RC) 与 R scope 和 C parallel 并联的时间常数相等：

其中，C parallel 是探头／示波器模型中的三个电容元件的组合。

另一种计算方法是使 C parallel 的电容阻抗的 9 倍与 C tip 电容阻抗的 1 倍相等。这将建立电容阻抗产生的衰减常数，与仅阻性网络 (10:1) 产生的衰减常数相同：

4、探头负载
除了适当补偿 10:1 无源探头以获得最为准确的示波器测量外，另一个必须要考虑的问题就是探头负载。换句话说，将探头和示波器连接到被测件 (DUT) 是否会改变电路的行为？

将任何仪器连接到电路中后，仪器本身（包括探头）都会成为 DUT 的一部分，并在某种程度上成为信号“负载”或改变信号的行为。如果使用上面列出的电阻和电容的给定值（以及已计算的 C comp 值），我们可以按照单个电阻器和电容器的并联方式将探头和示波器的负载影响通过建模方式合并在一起，如图所示：

对于低频或直流电应用，负载由 10 MΩ 电阻控制，在大多数情况下，这不应成为问题。但是，如果探测的是 100 MHz 数字时钟信号，会怎么样？此数字时钟的第 5 个谐波（用于创建此信号形状的重要分量）将为 500 MHz。现在，应计算由此负载模型的 13.5 pF 电容提供的阻抗，如下所示：

尽管 13.5 pF 看起来可能不多，但是频率越高，此负载电容数量就会很大。对于此类较高频的应用，大多数示波器供应商提供了可选的有源探头解决方案，它们具有更低的输入电容。但是，这些类型的特殊探头成本比典型的 10:1 无源探头要高很多。

5、示波器面板介绍
首先了解示波器上最重要的控件／旋钮。在示波器顶部附近是“水平”控件，如图所示。较大的旋钮用于设置水平刻度调整（秒／格）。此控件可用于设置显示波形的 X 轴刻度调整。一个水平“格”为每个垂直网格线之间的 Δ-time。如果要查看更快的波形（频率较高的信号），则将水平刻度调整设置为较小的 sec/div 值。如果要查看更慢的波形（频率较慢的信号），则通常将水平刻度调整设为较高的 sec/div 设置。“水平”部分中较小的旋钮可用于设置波形的水平部分。换句话说，使用此控件可以左右移动波形的水平位置。示波器的水平控件（s/div 和位置）通常称为示波器的主要“时基”控件。值得注意的是，旋钮都是可以按下的。用来调整时基设置的旋钮按下是在精调与粗调之间切换。用来控制水平位移的旋钮按下可以迅速将波形的偏移归零。

示波器底部附近垂直部分（在输入 BNC 的正上方）中的控件／旋钮（请参考下图）可用于设置示波器的垂直刻度调整。垂直部分中每个输入通道的较大旋钮可用于设置垂直刻度调整系数（伏／格）。这是波形的 Y 轴图形刻度调整。一个垂直“格”为每个水平网格线之间的 Δ-volts。如果要查看相对较大的信号（高峰峰值电压），则通常将 Volts/div 设置设为相对高的值。如果查看小的输入信号电平，则应将 Volts/div 设置设为相对低的值。垂直部分中每个通道的较小控件／旋钮是位置／偏移控件。可以使用此旋钮在屏幕上上下移动波形。垂直调整旋钮也是可以按下的。用来调整通道垂直分辨率的旋钮按下是在精调与粗调之间切换。用来控制垂直位移的旋钮按下可以迅速将波形的垂直偏移归零。