介绍

    电气工程师经常使用示波器，用于简单检测低速数字信号到精确的波形和抖动测量。他们需要使用探针直接测量PCB上的任意信号。然而，探头可能会对信号造成额外的负担使示波器上显示的波形失真。因此应仔细检查。本应用笔记提供了有效探测振荡器输出的实用指南，显示常见的错误，并解释如何识别和避免潜在的探测问题。

探索SiTime评估板

    评估板是测试振荡器性能的最好工具。他们很精细的设计、测试，并有专门的测试点进行探测。不过，评估结果可能因不正确的探测或测量技术而不准确。
    图2.1说明了焊接到SiTime评估板上的SiT8208 10 MHz MEMS振荡器的波形测量。将具有1.5 GHz带宽和<1 pF电容有源探头的理想测量与使用10MΩ输入阻抗的测量值进行比较，使用两个接地连接选项进行16 pF电容无源探头。用被动探头测量的上升时间大于使用有源探头测量的上升时间。图2.1还显示了被动探头的接地线导致振铃，上下冲击和进一步增加上升时间。
    无源探头的型号（图2.2）说明了测量结果。接地回路（L1）的自感取决于回路的面积，在本例中为200 nH。与16 pF输入电容和25Ω振荡器输出电阻（Rs）一起，它在约90 MHz时形成13 dB谐振的环路。该共振在快速上升或下降沿之后引起过度振铃。拆下接地线并用探头套接触SMA会通过减少接地线环面积来减少L1，从而消除振铃。
    探头输入模型的频率响应在谐振频率后每十年的衰减为-40 dB，因此增加接地回路自感将限制探头带宽。这是必要的，因为信号的测量上升时间计算如下[1]

公式1

    哪里TScope，TProbe，和TSignal分别是范围，探测和信号的上升时间。这解释了为什么用低带宽无源探头测量的上升时间要高于a1.5 GHz有源探头。
    有源探头解决了被动探头遇到的许多问题。有源探头是高带宽，通常输入电容低于1 pF。高级接地附件设计用于有助于最小化接地回路尺寸的有源探头。也，由于有源探头的输入电容通常比a的输入电容低得多无源探头对于相同的接地环路尺寸显示较少的谐振。

2.1：在评估板上进行探测：Tektronix DPO7104 1 GHz示波器使用有源探头，带有接地回路的被动探头和无接地回路的无源探头

图2.2：典型无源探头的型号

系统内检测

    调试和性能验证是产品设计的常见阶段。他们涉及测量系统中的各种信号，并需要精确的示波器测量密切关注探测技术。

探头对被测信号的影响

    每个探头用作连接到测试点的外部电路。它有自己的输入电容和电阻，从而在电路上施加额外的负载。因此，重要的是考虑主动和被动探头对被测信号的影响。

有源探头

    有源探头通常是高带宽，具有低输入电容，是优选的探测时钟信号的选择。有源探头的输入电容范围为0.3 pF至8 pF。典型振荡器具有15 pF输出额定负载，因此选择1 pF或更小的有源探头推荐输入电容。
    有源探头的输入电阻根据探头型号的不同，从30kΩ到10MΩ不等。SiTime振荡器具有显着较低的输出阻抗，因此探头电阻范围可以用于测量输出波形。然而，输入电阻可能是重要的探测高阻抗源时的因素。

被动探头

    具有100至300 MHz带宽和10至17 pF输入电容的无源探头最多共同。这种探头对振荡器输出施加过大的负载。例如，如果系统振荡器输出的负载为12 pF，然后使用12 pF输入的无源探头电容使负载加倍。 24 pF的新负载超过了15 pF振荡器额定负载。使用这种探头测量的输出参数，特别是上升时间可能不符合数据表规格。图3.1说明了振荡器输出信号如何受16 pF的影响被动探头。

图3.1：16 pF无源探头输入电容对被测信号的影响。测试信号在连接被动探头之前和之后，用高性能的有源探头进行监控。采用Tektronix DPO7104 1 GHz示波器进行捕获。

    最受欢迎的无源探头类型有数据表中规定的1MΩ或10MΩ输入电阻。这些无源探头仅用于1MΩ示波器输入，而为探头指定的电阻已考虑到1MΩ范围的端接。这意味着10MΩ探头的电阻为9MΩ，如图2.1所示。当连接到1MΩ示波器输入时，环路的全部电阻为10MΩ，得到的分压比为10：1。
    如果10MΩ探头连接到50Ω示波器输入，则示波器上不会显示任何信号。 50Ω范围终端和9MΩ探头电阻形成一个分压器，可将示波器放大器的输入衰减到可测量的极限以外。

长导线和接地引线电感

    找到靠近测量点的接地点可能很困难，因此有时使用长电线来达到最方便的接地端子。这产生了大的接地回路，如第2部分所述，在快速信号边沿之后会引起振铃和上冲或下冲。图3.2使用无源探头来说明地线长度对波形测量的影响。使用较低的输入电容探头可以降低谐振。图3.3说明了与1 pF有源探头相同长度的接地线对波形的影响要小得多。

图3.2：接地线长度对无源探头对波形测量的影响。更长接地线在快速信号边缘之后增加振铃。示波器：Tektronix DPO7104。被动探头：Tektronix P2220在10MΩ模式下连接到1MΩ输入。

    在高低温测试中，工程师发现使用延长线连接探头是方便的。这种方法具有几个缺点，包括来自相邻电路的噪声拾取（参见第3.4节），以及环路的大的自感，导致带宽减小，振铃，过冲或欠冲。当线路移动时，环路的区域会发生变化，从而改变波形的形状。图3.4说明了使用22英寸导线捕获的波形，其中两根不同的导线位置显示出显着的过冲和下冲。如果信号频率接近导线/探头共振频率，波形可能会出现正弦波，振幅超过电源轨。

图3.3：使用1-pF有源探头对地线长度影响波形测量。低电容有源探头对地线长度较不敏感。示波器：TektronixDPO7104。有源探头：Tektronix TAP1500。

图3.4：使用22英寸电线和Tektronix P2220被动测试测试10 MHz信号探头连接到1MΩTektronix DPO7104示波器输入的10MΩ模式。

图3.5：用22英寸双绞线和Tektronix P2220探测测试中的10 MHz信号无源探头在10MΩ模式下连接到1MΩTektronix DPO7104示波器输入。

    使用传输线结构（例如图3.5所示的双绞线）可以最小化电线的自感。这种手工传输线路的阻抗难以预测，并且可能沿线路发生变化，从而导致阻抗失配。穿过传输线的信号从阻抗变化的每个点反射，包括探头连接点。反射与信号叠加，从而使测量波形失真。为了减少反射，信号和地之间的50Ω电阻可以用作探针到电线连接点的负载终端（图3.6）。与DUT输出串联的另一个20Ω电阻可用于更好的源阻抗匹配和输出电流降低。由于双绞线传输线路信号完整性问题很难消除，因此不建议用于探测。

图3.6：用22英寸双绞线和Tektronix P2220探测测试中的10 MHz信号无源探头在10MΩ模式下连接到1MΩTektronix DPO7104示波器输入。资源以及用于减少反射的负载终止技术。

    另一个可能的解决方案是使用直接连接到50Ω仪器输入的50Ω同轴电缆。应将串联终端电阻放置在靠近振荡器输出端以进行阻抗匹配。它还提供了与振荡器输出驱动器的同轴电缆电容的一些隔离。标准SiTime单端振荡器的典型输出阻抗为2.5,2.8,3.0或3.3 V电源电压约为20至30Ω，对于1.8 V振荡器为25至35Ω。因此，串联终端电阻的值在20和建议使用30Ω，如图3.7所示。源阻抗（ZS）和负载终端（ZT）形成一个分压器，具有ZS ZT/ ZT :1的比例。振荡器的输出阻抗取决于输出驱动器的性能，也可以随外部条件（如温度）而变化。因此，分压比不精确，这种方法不应用于电压测量。它更适合使用示波器，频率计数器（如图3.8所示）或任何其他仪器进行频率测试。无论仪器选择如何，仪器侧都需要外部或内置的50Ω端接。此外，请注意，该方法在振荡器输出上施加额外的70Ω电阻负载。

图3.7：用50Ω同轴电缆探测振荡器输出（大约2:1分频比）

图3.8：使用50Ω同轴电缆连接频率计数器

    可以与同轴电缆一起使用的另一种探测方案如图3.9所示。它具有更高的输入阻抗，分频比约为21：1，并将1kΩ电阻的同轴电缆的振荡器输出隔离开来。由于示波器端接电阻非常精确，振荡器输出阻抗相当低，所以分频比的精度主要取决于1kΩ电阻。该方法的缺点是高衰减因子，这对范围输入放大器提出了额外的要求。

图3.9：用50Ω同轴电缆探测振荡器输出（21：1分频比）

良好探测实践的例子

    具有高带宽，电容低于1 pF和最小化接地回路的有源探头应该用来实现最佳的波形测量。最低建议范围和探头的带宽为，哪里TRise2080是预期的20-信号边沿的上升时间为80％。也可能估计为，哪里TRise1090是信号边沿的预期10-90％上升时间。最小推荐范围抽样率是。例如，如果预计20-80％的信号上升时间测试时间是和。生的上升时间范围探头是[1]，哪里和是崛起的时代范围和探针。 1 GHz探头的结果带宽与a1 GHz范围小于1 GHz。对于波形测量，最好设置范围带宽和采样率尽可能高。如果范围的带宽不是足够的测量信号上升时间将高于预期。

    示波器垂直放大器的推荐增益是尽可能延长输入信号的增益，只要它仍然适合屏幕。这确保了示波器ADC的最大分辨率用于波形转换，因此量化噪声被最小化。范围的自动设置功能通常选择波形捕获的最佳垂直分辨率。图3.10显示了75 MHz振荡器输出的良好探测示例。

图3.10：探测示例。信号源：Si时钟上的75 MHz SiT8208 MEMS振荡器评估委员会。示波器：Agilent DSA90604A（6 GHz）有源探头：Agilent 1134A（7 GHz）用E2675A差分浏览器探头。

    由于其工作温度范围相当窄，因此无法将有源探头放入温室。例如，Agilent 1169A有源探头的工作温度为5至40°C。具有延长电缆的典型设置如图3.11所示。如果这些附件不可用，则可以使用同轴电缆进行一些测量，例如频率测试，如第3.2节所述。图3.12显示了使用同轴电缆的典型测量配置。

图3.11：使用Agilent温度扩展的温度测试设置示例电缆

图3.12：使用Agilent DSA90604A探头使用同轴电缆进行探测

噪音接收

    探头接地回路从应用板上的各种来源拾取噪声。这个耦合的噪声显示在波形上，好像它已经被自然地存在于被测信号上。如果噪声源自与振荡器同步的源，则很难将其与原始信号噪声分离。
图3.13显示了噪声耦合到探头接地回路的机制。沿着电路板上的走线行进的开关电流信号形成具有接地回路电流的回路。它通过两个回路的互感耦合到探头接地回路。耦合噪声的幅度取决于干扰电流变化的速率和环路之间的互感。相互电感与环路面积成正比，与环路之间距离的立方成反比。为了最小化噪声拾取，建议保持探头接地回路的面积尽可能小。

图3.13：探头接地回路的噪声耦合机理

探测技巧

    如上所述，推荐使用有源探头探测振荡器输出。被动然而，探针在某些情况下是有用的。
        被动探头推荐用于：

            调试低速数字电路
            低带宽模拟电路
            低速，高阻抗源
            探测直流电源
            建议使用有源探头：
            探测高速串行接口
            时钟波形测量
            探测高频数字电路