善用簡單訣竅 有助高速示波器量測最佳化

作者: John Ardizzoni
2008 年 01 月 31 日

增加頻寬減少誤差
 



為了要正確的對頻率回應以及快速上升緣(Fast Rising Edge)進行量測,示波器與探針的搭配必須要有充足的頻寬。
 



有一個很好的基本原則,就是示波器與具有頻寬等級探針的頻寬應該是所要量測的最高頻率的三到五倍。頻寬減少3dB可能會導致振幅的量測產生30%的誤差,因此頻寬越大越好。
 



使用同源示波器和探針
 



在進行量測的時候,常有一種十分常見的情況,就是採用一組由X公司所生產的示波器,接上由Y公司所製造的探針。
 



事實上,示波器與探針並非都是可以相互交換或者是彼此相容,最好的方法還是使用來自於同一家生產廠商的示波器與探針。在進行量測的時候,將同一家廠商的示波器和探針相互搭配,以便將任何潛在的衝突消除掉。
 



執行量測前校正以防失真
 



在進行示波器量測時,校正是最常被忽略的步驟之一。因此,若要確保量測是從一個空白記錄開始,手動量測是一個簡單且容易的方法。 基於上述的原因,永遠在開始進行量測之前,先執行一次手動校正,假如示波器具有自動校正的功能,可在開始量測之前確認是否已經執行該功能。探針補償不足或是過度的話,可能會在振幅、上升時間方面導致嚴重的誤差,並且使量測出來的波形產生失真的狀況。
 



依振幅高低慎選探針
 



在工作上使用正確的工具才能永遠獲得最佳的結果,一般來說,10:1的示波器探針對於一般性用途的量測來說就已足夠,但是當須要量測低振幅訊號時,可能就須要使用1:1的探針。
 



進行高速量測時,探針的電容是重要的考量點,具有高電容值的探針會減緩快速上升/下降緣,當放大器的輸入或是輸出受到探針探測時,甚至可能會造成如高速運算放大器之類元件的振盪。
 



探測高速電路的另一個選項則是主動式場效電晶體(Field Effect Transistors, FET)探針,主動式場效電晶體探針一般會具有較低的端點電容,通常只有少許微微法拉(Pico Farads),以及很高的阻抗,因此他們對於任何受到探測的端點都會顯示非常輕微的負載。
 



以接地屏蔽製作接地連結
 



進行高速量測時可能會發生的最大錯誤,就是使用接地夾腳,此會與示波器探針一同發生,使用接地夾腳相當於在接地路徑上加入一組串聯電感器。
 



除了將探針電容納入重要因素之外,也要確定有將振鈴(Ringing)及過平衡(Over-shoot)導入,而製作接地連結的最佳方法就是使用探針內部的接地屏蔽(Ground Shield),但是在此之前,必須先將探針拆開。
 



首先將探針端頭塑膠外殼的螺絲卸下,然後再將其從探針上拆下後,就會看到探針的金屬接地屏蔽,再將接地夾腳自探針上移除。
 



接著進行一次量測,只要探測一個端點並將探針的金屬接地屏蔽連結至最近的地線上,如此可以消除任何的串聯電感,也幾乎可以消除任何的振鈴及過平衡。
 



假如無法找到最接近的地線,可以試著將匯流排線圍繞著示波器探針接地屏蔽纏繞數圈,再連接至地線上,或者可以使用任何能夠利用的金屬小物件來製作接地連結,例如螺絲起子、迴紋針、以及鑷子來製作接地連結。而因為鑷子尖銳的端頭可以深入接地面,也可以進入印刷電路板上的緊湊空間當中,是相當好使用的工具。
 



以長度相同探針量測傳播延遲
 



量測時間差異或是傳播延遲(Propagation Delay)時,必須確定使用兩組長度相同的探針。
 



透過纜線的傳播延遲大約是1.5ns/ft,纜線的長度並不會造成多大的差異,以至於帶來麻煩。舉例來說,使用3呎與6呎的示波器探針來進行傳播延遲的量測,由於纜線長度的差異所造成的誤差大約是4.5奈秒(ns),若是試著在十億分之一秒的範圍內解析量測結果時,這是一個頗具意義的數值。
 



應用訣竅最佳化量測結果
 



雖然這些訣竅就個別而言可能多數都不是值得注意,但是將他們統合起來則可以對示波器的量測提供明顯的改善,即使只是把這些訣竅與技術中的少數幾項使用在示波器量測上,都可以確保每次投身於實驗室的時候,可以獲得快速而且可靠的結果。
 



(本文作者任職於亞德諾)

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