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本书深入剖析了现代示波器的架构，并通过近百个经典案例及精美插图，展示了现代示波器在实战中的应用技巧。这里不是简单讲如何操作使用，而是为了帮助您洞悉问题本质。本书素材来源于作者十多年来的积累，根据一线工程师实际使用示波器的问题，结合典型应用场景，全面、系统地讲述了现代示波器在各种复杂场合的测试和使用方法。希望通过本书的介绍，使得广大工程师朋友们能够更好地理解和应用现代数字示波器的高级功能，以发挥这种*常用的电子测量工具对于电路调试和分析的效用。
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| 內容簡介： |
示波器是*广泛使用的电子测量仪器。经过近一个世纪的持续技术革新，现代数字示波器已经是结合了*材料、芯片、计算机、信号处理技术的复杂测量系统。
本书结合笔者近20年实际应用经验，对现代数字示波器的原理、测量方法、测量技巧、实际案例等做了深入浅出的解读和分析。
本书分为三大部分： 第1~8章介绍现代测量仪器的发展、数字示波器原理、主要指标、测量精度、探头分类及原理、探头对测量的影响、触发条件、数学函数功能等内容；第9~19章结合实际案例，介绍示波器在信号完整性分析、电源测试、时钟测试、射频测试、宽带信号解调、总线调试、芯片测试中的实际应用案例； 第20~29章侧重高速总线的一致性测试，介绍数字总线，如PCIe 3.04.0、SATA、SAS 12G、DDR34、10G以太网、CPRI接口、100G背板、100G光模块、400G以太网PAM4信号的原理及测试方法。
本书可帮助从事高速通信、计算机、航空航天设备的开发和测试人员深入理解及掌握现代数字示波器的使用技能，也可供高校工科电子类的师生做示波器、电路测试方面的教学参考。
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| 關於作者： |
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李凯，毕业于北京理工大学光电工程系，硕士学位，中国电子学会高级会员，曾在国内知名通信公司从事多年数据通信及基站研发工作，对于通信、计算机等行业有深入认知，对信号完整性、嵌入式系统、高速总线、可编程逻辑、时钟、电源等电路的设计和测试有深刻理解。2006年加入安捷伦公司电子测量仪器部（现Keysight公司），负责高速测试仪器（如示波器、误码仪等）的应用和研究，长期和一线电子工程师有密切接触。作为高速测试领域的专家，李凯利用业余时间撰写了大量关于测量原理及方法的文章，并发布在《国外电子测量技术》《电子工程专辑》等专业杂志，同时在EDN China网站（现面包板社区）开设有技术博客及微信公众号数字科技。
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| 目錄：
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目录
一、
现代测量仪器技术的发展
二、
示波器原理
1. 模拟示波器
2. 数字存储示波器
3. 混合信号示波器
4. 采样示波器
5. 阻抗TDR测试
三、
数字示波器的主要指标
1. 示波器的带宽
2. 示波器的采样率
3. 示波器的内存深度
4. 示波器的死区时间
四、
示波器对测量的影响
1. 示波器的频响方式
2. 示波器带宽对测量的影响
3. 示波器的分辨率
4. 示波器的直流电压测量精度
5. 示波器的时间测量精度
6. 示波器的等效位数
7. 示波器的高分辨率模式
8. 示波器的显示模式
五、
示波器探头原理
1. 探头的寄生参数
2. 高阻无源探头
3. 无源探头常用附件
4. 低阻无源探头
5. 有源探头
6. 差分有源探头
7. 有源探头的使用注意事项
8. 宽温度范围测试探头
9. 电流测量的探头
10. 光探头
六、
探头对测量的影响
1. 探头前端对测量的影响
2. 探头衰减比对测量的影响
3. 探头的校准方法
4. 探头的负载效应
5. 定量测量探头负载效应的方法
七、
使用触发条件捕获信号
1. 示波器触发电路原理
2. 示波器的触发模式
3. 边沿触发
4. 码型触发
5. 脉冲宽度触发
6. 毛刺触发
7. 建立保持时间触发
8. 跳变时间触发
9. 矮脉冲触发
10. 超时触发
11.连续边沿触发
12. 窗口触发
13. 视频触发
14. 序列触发
15. 协议触发
16. 高速串行触发
17. 高级波形搜索
八、
示波器的数学函数
1. 用加减函数进行差分和共模测试
2. 用MaxMin函数进行峰值保持
3. 用乘法运算进行功率测试
4. 用XY函数显示李萨如图形或星座图
5. 用滤波器函数滤除噪声
6. 用FFT函数进行信号频谱分析
7. 用Gating函数进行信号缩放
8. 用Trend函数测量信号变化趋势
9. 使用MATLAB的自定义函数
九、
高速串行信号质量分析
1. 显示差分和共模信号波形
2. 通过时钟恢复测试信号眼图
3. 进行模板测试
4. 失效bit定位
5. 抖动分析
6. 抖动分解
7. 通道去嵌入
8. 通道嵌入
9. 信号均衡
10. 均衡器的参数设置
11. 预加重的模拟
十、
电源完整性测试
1. 电源完整性测试的必要性
2. 电源完整性仿真分析
3. DCDC电源模块和PDN阻抗测试
4. DCDC电源模块反馈环路测试
5. 精确电源纹波与开关噪声测试
6. 开关电源功率及效率分析
7. 电源系统抗干扰能力测试
十一、
电源测试常见案例
1. 交流电频率测量中的李萨如图形问题
2. 电源纹波的测量结果过大的问题
3. 接地不良造成的电源干扰
4. 大功率设备开启时的误触发
5. 示波器接地对测量的影响
十二、
时钟测试常见案例
1. 精确频率测量的问题
2. GPS授时时钟异常状态的捕获
3. 光纤传感器反射信号的频率测量
4. 晶体振荡器频率测量中的停振问题
5. PLL的锁定时间测量
6. 时钟抖动测量中RJ带宽的问题
7. 时钟抖动测量精度的问题
8. 如何进行微小频差的测量
十三、
示波器能用于射频信号测试吗？
1. 为什么射频信号测试要用示波器
2. 现代实时示波器技术的发展
3. 现代示波器的射频性能指标
4. 示波器射频指标总结
十四、
射频测试常用测试案例
1. 射频信号时频域综合分析
2. 雷达脉冲的包络参数测量
3. 微波脉冲信号的功率测量精度
4. FFT分析的窗函数和栅栏效应
5. 雷达参数综合分析
6. 跳频信号测试
7. 多通道测量
8. 卫星调制器的时延测量
9. 移相器响应时间测试方法
10. 雷达模拟机测量中的异常调幅问题
11. 功放测试中瞬态过载问题分析
12. 复杂电磁环境下的信号滤波
13. 毫米波防撞雷达特性分析
十五、
宽带通信信号的解调分析
1. IQ调制简介
2. IQ调制过程
3. 矢量信号解调步骤
4. 突发信号的解调
5. 矢量解调常见问题
6. 超宽带信号的解调分析
十六、
高速数字信号测试中的射频知识
1. 数字信号的带宽
2. 传输线对数字信号的影响
3. 信号处理技术
4. 信号抖动分析
5. 数字信号测试中的射频知识总结
十七、
高速总线测试常见案例
1. 卫星通信中伪随机码的码型检查
2. 3D打印机特定时钟边沿位置的数据捕获
3. VR设备中遇到的MIPI 信号测试问题
4. AR眼镜USB拔出时的瞬态信号捕获
5. 区分USB总线上好的眼图和坏的眼图
6. 4K运动相机的HDMI测试问题
7. SFP 测试中由于信号边沿过陡造成的DDPWS测试失败
8. USB 3.1 TypeC接口测试中的信号码型切换问题
十八、
芯片测试常用案例
1. 高速Serdes芯片功能和性能测试
2. 高速ADC技术的发展趋势及测试
3. 二极管反向恢复时间测试
4. 微封装系统设计及测试的挑战
十九、
其他常见测试案例
1. 如何显示双脉冲中第2个脉冲的细节
2. 示波器的电压和幅度测量精度
3. 不同宽度的脉冲信号形状比较
4. 超宽带雷达的脉冲测量
5. 通道损坏造成的幅度测量问题
6. 对脉冲进行微秒级的精确延时
7. 探头地线造成的信号过冲
8. 探头地线造成的短路
9. 阻抗匹配造成的错误幅度结果
10. 外部和内部50端接的区别
11. 低占空比的光脉冲展宽问题
12. 如何提高示波器的测量速度
13. 计算机远程读取示波器的波形数据
二十、
大型数据中心的发展趋势及挑战
二十一、 PCIe 3.0测试方法及PCIe 4.0展望
1. PCIe 3.0 简介
2. PCIe 3.0 物理层的变化
3. 发送端信号质量测试
4. 接收端容限测试
5. 协议分析
6. 协议一致性和可靠性测试
7. PCIe 4.0标准的进展及展望
二十二、 SATA信号和协议测试方法
1. SATA 总线简介
2. SATA 发送信号质量测试
3. SATA 接收容限测试
4. SATAExpress（U.2M.2）的测试
二十三、 SAS 12G总线测试方法
1. SAS总线概述
2. SAS的测试项目和测试码型
3. SAS发送端信号质量测试
4. SAS接收机抖动容限测试
5. SAS互连阻抗及回波损耗测试方案
二十四、 DDR34信号和协议测试
1. DDR 简介
2. DDR信号的仿真验证
3. DDR 信号的读写分离
4. DDR 的信号探测技术
5. DDR 的信号质量分析
6. DDR 的协议测试
二十五、 10G以太网简介及信号测试方法
1. 以太网技术简介
2. 10GBASETMGBaseTNBaseT的测试
3. XAUI和10GBASECX4测试方法
4. SFP 10GBaseKR接口及测试方法
二十六、 10G CPRI接口时延抖动测试方法
1. 4G基站组网方式的变化
2. CPRI接口时延抖动的测试
3. 测试组网
4. 时延测试步骤
5. 抖动测试步骤
6. 测试结果分析
7. 测试方案优缺点分析
二十七、 100G背板性能的验证
1. 高速背板的演进
2. 100G背板的测试项目
3. 背板的插入损耗、回波损耗、阻抗、串扰的测试
4. 背板传输眼图和误码率测试
5. 发送端信号质量的测试
6. 100G背板测试总结
二十八、 100G光模块接口测试方法
1. CEI测试背景和需求
2. CEI28GVSR测试点及测试夹具要求
3. CEI28GVSR输出端信号质量测试原理
4. CEI28GVSR输出端信号质量测试方法
5. CEI28GVSR输入端压力容限测试原理
6. CEI28GVSR接收端压力容限测试方法
7. 100G光收发模块的测试挑战
8. 100G光模块信号质量及并行眼图测试
9. 100G光模块压力眼及抖动容限测试
二十九、 400G以太网 PAM4信号简介及测试方法
1. 什么是PAM4信号？
2. PAM4技术的挑战
3. PAM4信号的测试码型
4. PAM4发射机电气参数测试
5. PAM4的接收机容限及误码率测试
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| 內容試閱：
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前言
写在前面人类的文明从使用和制造工具开始。工具可能是原始人随手抄起的木棒，也可能是现代孩童堆在墙角的乐高积木。作为电子工程师的眼睛，示波器是最普遍使用的电路调试工具。现代数字示波器不只是用于简单的波形观察，而是一套非常复杂的信号采集和分析系统。但遗憾的是，无论在国内还是国外，很多介绍示波器的图书与实际工作结合不好且跟不上时代的技术更新，而大部分讲操作的资料读起来又空洞无味，很少能站在实际应用的角度去解读示波器。有次和一位工程师朋友聊天，他聊到买了很多很好的仪器，但是很多功能没完全发挥出来。就像手机，我们只用其中10%的功能。手机用两年就过时了，你需要了解那么多吗？而且仪器都有操作手册啊？我反问。仪器不一样，虽然简单使用都会，但实际问题千变万化，真碰到事儿还是解决不了。操作手册好几百页，也不知道哪些部分与当前问题相关，现在节奏这么快，哪来得及去一页页翻手册。其实我一直不愿写一本特别琐碎的针对使用方法和技巧的书，总觉得格局不大，而且实际问题千变万化，也没有一招鲜吃遍天的独门秘籍。所以这本书不是类似市面上一些从入门到精通的操作指南，也不会涉及很细节的操作步骤。我更想展示给大家的是现代测量工具能够实现的强大功能，以及碰到问题时的分析思路。我那位朋友的话打动我的一点在于： 广大工程师朋友确实需要一些这方面的帮助。从资历和经验上，我确实是和使用示波器的各行各业工程师接触最多的。时日越久，越觉责无旁贷。无论是用扳手拧紧一颗螺丝钉，还是熬夜调试电路的故障，抑或是产品交付前的一次次设计修改，无不浸透着工程师的汗水。这些文章的总结和整理，就当是对广大默默无闻、辛勤耕耘的工程师们日常工作的记录和汇报吧。如果能对大家的日常工作有些许帮助，就是额外的惊喜了。逐有此书。李凯2017年3月
五、 示波器探头原理
对于示波器来说，其输入接口一般是BNC或者SMA、3.5mm接头、2.92mm接头、1.85mm接头等同轴接口。如果被测件的输出使用的是类似的同轴接口连接器，可以通过电缆直接连接示波器； 而如果要测试的是PCB板上的信号，或者被测信号使用的不是同轴的连接器，就需要用到相应的示波器探头。任何使用过示波器的人都接触过探头，通常所说的示波器是用来测电压信号的也有测光或电流的，都是先通过相应的传感器转成电压量测量，探头的主要作用是把被测的电压信号从测量点引入示波器进行测量。图5.1是各种各样的示波器探头。
图5.1各种各样的示波器探头
1. 探头的寄生参数大部分人会比较关注示波器本身的使用，却忽略了探头的选择。实际上，探头是介于被测信号和示波器之间的中间环节，如果信号在探头处就已经失真了，那么示波器做得再好也没有用。图5.2是一个例子，通常的500MHz的无源探头本身的上升时间约为700ps，通过这个探头测试一个上升时间为530ps的信号，即使不考虑示波器带宽的影响，经过探头后信号的上升时间已经变成了860ps。因此，探头对于测量的影响是不能忽略不计的。
图5.2探头带宽对上升时间测量的影响
对于高斯频响的示波器和探头，探头和示波器组成的测量系统的带宽通常可以用以下公式计算：
BW=1（1BW2scope） （1BW2probe）
而对于平坦响应的示波器和探头来说，其组成的测量系统的带宽取决于带宽最小的那部分。由此可见，探头以及连接方式对于测试系统的影响是很大的。实际上，探头的设计要比示波器难得多，因为示波器内部可以做很好的屏蔽，也不需要频繁拆卸，而探头除了要满足探测的方便性的要求以外，还要保证至少和示波器一样的带宽，难度要大得多。回顾示波器的发展历史，很多当时高带宽的实时示波器在刚出现时是没有相应带宽的探头的，通常要迟一段时间相应带宽的探头才会推出。要选择合适的探头，首要的一点是要了解探头对测试的影响，这其中包括两部分的含义： 探头对被测电路的影响以及探头本身造成的信号失真。理想的探头应该是对被测电路没有任何影响，同时对信号没有任何失真的。遗憾的是，没有真正的探头能同时满足这两个条件，通常都需要在这两个参数间做一些折中。为了考量探头对测量的影响，通常可以把探头的输入电路简单等效为如图5.3所示的R、L、C的模型实际上的模型比这个要复杂得多，测试时需要把这个模型与被测电路放在一起分析。
图5.3简化的R、L、C探头模型
首先，探头本身有输入电阻。与万用表测电压的原理一样，为了尽可能减少对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe要尽可能大。但由于Rprobe不可能做到无穷大，所以就会与被测电路产生分压，使得实际测到的电压可能不是探头真实的电压，这种情况在一些电源或放大器电路的测试中会经常遇到。为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求探头的输入电阻要大于源阻抗以及负载阻抗至少10倍以上。大部分探头的输入阻抗在几十k到几十M之间。其次，探头本身有输入电容。这个电容不是刻意做进去的，而是探头的寄生电容。这个寄生电容是影响探头带宽的最重要因素，因为这个电容会衰减高频成分，把信号的上升沿变缓。通常高带宽的探头寄生电容都比较小。理想情况下探头的寄生电容Cprobe应该为0，但是实际做不到。一般无源探头的输入电容在10pF至几百pF间，带宽高些的有源探头输入电容一般在0.2pF至几pF间。由于寄生电容的存在，探头的输入阻抗注意，不是直流输入电阻随着频率会下降，从而影响探头的带宽。图5.4是两种常用探头的输入阻抗随频率变化的曲线，两种探头的输入阻抗在直流情况下都是高阻的： 最普遍使用的500MHz带宽的高阻无源探头在直流情况下有10M的输入阻抗，另一款2GHz带宽的单端有源探头的输入阻抗在直流情况下是1M。但是由于左边的高阻无源探头有更大的寄生电容，因此随着频率的增加，其输入阻抗随频率增加下降得更快，当频率达到70MHz时，其输入阻抗已经远小于寄生电容更小的有源探头。因此，输入寄生电容对于探头带宽的影响是非常大的。
图5.4无源探头和有源探头的输入阻抗随频率变化曲线
最后，探头输入的信号还会受到寄生电感的影响。探头的输入电阻和电容都比较好理解，探头输入端的电感却经常被忽视，尤其是在高频测量时。电感来自于哪里呢？我们知道有导线就会有电感，探头和被测电路间一定会有一段导线连接，同时信号的回流还要经过探头的地线。对示波器探头常用的地线而言，通常1mm探头的长度会有大约1nH的电感，信号和地线越长，电感值越大。如图5.5所示，探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路，当电感值太大时，谐振频率很低，很容易在输入信号的激励下产生高频谐振，造成信号的失真。所以高频测试时需要严格控制信号和地线的长度，否则很容易产生振铃。关于这段引线造成的信号振荡问题，后面还有专门章节介绍。
图5.5探头寄生电感引起的谐振
在了解探头的结构之前，还需要先了解示波器输入接口的结构，因为这是连接探头的位置，示波器的输入接口电路和探头共同组成了我们的探测系统。大部分的示波器输入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式有些高带宽的示波器会采用一些支持更高频率的同轴接口，例如2.92mm或1.85mm的同轴接口。如图5.6所示，很多通用的示波器在输入端有1M或50可切换的匹配电阻高带宽示波器通常只有50输入。示波器的探头种类很多，但是示波器的匹配只有1M或50两种选择，不同种类的探头需要不同的匹配电阻形式。
图5.6示波器输入端的匹配电阻
从电压测量的角度来说，为了对被测电路影响小，示波器可以采用1M的高输入阻抗，但是由于高阻抗电路的带宽对寄生电容的影响很敏感。所以1M的输入阻抗广泛应用于500MHz带宽以下的测量。对于更高频率的测量，通常采用50的传输线，所以示波器的50匹配主要用于高频测量。传统上来说，市面上100MHz带宽以下的示波器大部分只有1M输入，因为不会用于高频测量； 100MHz~2GHz带宽的示波器大部分有1M和50的切换选择，同时兼顾高低频测量； 2GHz或更高带宽的示波器由于主要用于高频测量，所以大部分只有50输入。不过随着市场的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1M和50的输入切换。广义上来说，测试电缆也属于一种探头，例如BNC或SMA电缆，而且这种探头既便宜性能又高前提是电缆的质量不要太差，但是使用测试电缆连接时需要在被测电路上也有BNC或SMA的接口，所以应用场合有限，主要用于射频和微波信号测试。对于数字或通用信号的测试，很多时候还是需要专门的探头。图5.7是示波器中常用的一些探头的分类。
图5.7示波器中常用探头的分类
示波器的探头按是否需要供电可以分为无源探头和有源探头，按测量的信号类型可以分为电压探头、电流探头、光探头等。所谓的无源探头，是指整个探头都由无源器件构成，包括电阻、电容、电缆等； 而有源探头内部一般有放大器，放大器是需要供电的可能通过示波器接口供电或外部电源、电池供电，所以叫有源探头。下面章节将对示波器中常用的探头逐一介绍。2. 高阻无源探头无源探头是指探头内部没有需要供电的有源器件，无源探头根据输入阻抗的大小又分为高阻无源探头和低阻无源探头两种。高阻无源探头即通常所说的无源探头，应用最为广泛，基本上每个使用过示波器的人都接触过这种探头。高阻无源探头与示波器相连时，要求示波器端的输入阻抗是1M。图5.8是一个10∶1高阻无源探头的原理框图图中的电阻、电容的参数对于不同型号的探头和示波器会有不同，仅供参考。
图5.8高阻无源探头的原理
为了方便测量，无源探头通常都会有约1m长的连接线，如果不加匹配电路，很难想象探头能够在这么长的信号路径上提供数百MHz的测量带宽。另外，示波器的输入端也有寄生电容，也会影响带宽。为了改善探头的高频相应，高阻无源探头前端会有相应的匹配电路，最典型的就是一个Rtip和Ctip的并联结构。简单地说，探头要在带内产生平坦增益的一个条件是要满足RtipCtip = RscopeCscope，具体计算过程就不做了，感兴趣的读者可以自己推导一下，更复杂的情况除了需要考虑示波器的寄生电容以外，还需要考虑探头电缆本身的电容Ccable。前面介绍过，Cscope是示波器的寄生电容，所以其数值可以通过工艺控制在一定范围内，但不能精确设定，也就是说不同示波器或示波器的不同通道间Cscope的值会不太一样。为了补偿不同通道Cscope的变化，一般的高阻无源探头在连接示波器的一端处一般至少会有一个可调电容Ccomp。当探头接在不同通道上时，可以通过调整Ccomp补偿Cscope的变化。几乎所有示波器都可以提供一个低频方波的输出，通过观察探头测量到的这个方波的形状可以调整Ccomp的值。图5.9是几种在示波器屏幕上可能看到的方波的形状。
Rprobe在改善频响的同时会和示波器输入电阻产生一个分压，这个分压比最常见的是10∶1的分压。所谓10∶1，就是指经过探头进入示波器中的实际电压是真实信号电压的110，也就是信号经过探头会有一个10倍衰减。有些比较简单的探头可能需要手工设置示波器的探头衰减倍数才能在示波器上得到正确的电压显示，更多的探头在与示波器连接端有一个自动检测的针脚里面有不同的电阻代表不同的衰减比含义，如图5.10所示。当探头插上时示波器可以通过这个针脚读出探头的衰减比，并自动调整显示的比例。
图5.9无源探头的补偿电路对方波测量的影响
图5.10探头衰减比的检测针脚
高阻无源探头中还有2个特殊的种类。一类是高压探头，其衰减比可达100∶1或1000∶1，所以测量电压范围很大。还有一类是1∶1的探头，即信号没有衰减就进入示波器，由于不像10∶1的探头那样需要示波器再放大显示，所以示波器本身的噪声不会被放大，在小信号和电源纹波的测量场合应用很多。1∶1的探头前端没有充分的信号高频补偿电路，因此带宽一般不高，通常在50MHz以下。高阻无源探头的优点是价格便宜，同时输入阻抗高，测量范围大，连接方便，所以广泛应用于通用测试场合。但是随着测试频率的提高，各种二阶寄生参数很难控制，仅仅靠简单的匹配电路已经不能再提高带宽了，所以一般高阻无源探头的带宽都在1GHz以下。表5.1是一些典型的高阻无源探头的主要参数。
表5.1常用高阻无源探头的主要参数
ModelNumberBandwidth-3dBAttenuationRatioInput CInput RScope and ProbeScope InputCouplingScope CompRangeN2870A35MHz1∶139pF oscilloscope1M1M-
N2871A200MHz10∶19.5pF10M1M10~25pFN2872A350MHz10∶19.5pF10M1M10~25pFN2873A500MHz10∶19.5pF10M1M10~25pF
3. 无源探头常用附件无源探头是大家使用示波器时最常用到的探测工具，针对不同的场合会使用不同的探头。最通用的一种探头是高阻无源探头，前端一般是一个鳄鱼夹的地线夹和一个探测信号的钩子。这种方法适用于大部分通用的探测场合，但并不是全部。针对某些特殊的应用，用户可能会需要更多更灵活的连接方式，例如针对封装密度比较高的芯片或者要做长时间测量的场合。探头厂家随着探头一般也会提供一些常用的附件，图5.11是典型的随着高阻无源探头发货时配置的常用附件。
图5.11高阻无源探头的常用附件
除了这些随探头发货的附件，无源探头还可以额外订购很多种不同的附件以用于不同的测量场合。由于大部分用户都不太清楚这些附件如何使用，这里将对无源探头的一些附件和应用场合进行简单介绍，以方便用户选择。首先从地线说起。通常探头标配的15cm长的黑色的地线夹可以实现比较方便的地线连接，但是这么长的地线由于电感效应在测高频信号时会产生比较大的振荡，在有开关电源的场合还会耦合进很大的噪声。可能很多人都忽略的是，即使是500MHz的无源探头在使用这种长地线时带宽也最多只能达到200~300MHz。所以如果要做高频测量，就需要换相应的短地线，例如一些短的弹簧针或弹簧片等。使用这种短的接地线所带来的一个问题是可能探测点附近找不到合适的接地点，而如果再通过长引线接地又会增加额外电感，所以可以通过相应的接地铜片把参考地引到探测点附近。铜片本身的横截面积比较大，所以其电感很小，可以提供一个比较理想的地参考点。图5.12是用弹簧接地片配合接地铜片进行测试。
图5.12无源探头的弹簧地针和接地铜片
再说一下信号的探测问题。大家都知道探头前面的探钩拔掉后可以用前端的探针点在被测信号上做测量，但是这个探针如果太粗则不太方便测一些高密度的管脚，而如果太细则用久了又有可能会损坏。所以有些探头还会提供一些备件，可以方便用户更换。如图5.13所示，更换时用钳子把原有探针拔下换上新的就行了。
对于有些密度比较高的QFP或DIP封装器件，如果想用探针直接在芯片的管脚上做探测通常要非常小心，因为探针有可能会滑开从而造成相邻的两个管脚短路。针对这种应用，有些探头还提供了一些楔形的塑料帽，如图5.14所示。使用时把这些塑料帽套在探头前端，其楔形结构可以贴合在被测管脚上，保证探头尖的可靠接触同时又不会滑开，从而避免了短路的风险。根据不同的管脚间距通常有一组塑料帽，例如可以支持的管脚间距为0.5~1.27mm不等。
图5.13无源探头前端探针的更换
图5.14用于芯片管脚测量的楔形塑料帽
对于板上信号测试的另一种方法是使用套筒或非常小的抓钩，如图5.15所示。套筒比较适合直接连接板上的插针，而套筒前面附带的抓钩则可以方便地勾在芯片的管脚或针脚上，有些小的抓钩可以支持最小0.5mm的管脚间距。当然，这种方法由于使用的地线和信号线比较长，在提供方便性的同时也会影响探头的带宽。
图5.15无源探头的套筒和抓钩
如果希望尽可能方便、可靠地测量，可以在设计PCB时对关心的信号预留一个探头的适配器，需要测试时只要把探头插在适配器上就行了，这样既保证了带宽，又方便了测量。而如果被测信号直接可以提供同轴连接器的输出，例如BNC接口，那还可以通过如图5.16所示的BNC适配器与BNC电缆直接相连，非常可靠方便。
还有一些测试（例如抖动、眼图、模板等测试）由于要测量时间较长，所以需要脱手测试。手持的方法虽然方便但不可靠也不能持续很长时间。最简单的脱手测试方法是把探头套在一个两腿的探头夹上，依靠重力压在被测点上。对于一些复杂的场合，还可以选择三维的探头手臂，它可以把探头夹住并根据需要调整探测的位置和角度。这种三维的探头架要做得好的话价格很贵，甚至会超过一个普通无源探头的价格，所以只在一些特殊测场合才会用到。图5.17是一些不同种类的探头固定支架。
图5.16无源探头的BNC适配器
图5.17不同种类的探头固定支架
除此之外，无源探头通常还会配一个小起子用来调整匹配电容，或者有些色环可以套在探头上以区分不同的通道，这里就不再赘述。4. 低阻无源探头
图5.18低阻无源探头的原理框图
除了高阻无源探头以外，还有一种无源探头是低阻无源探头，这种探头又称为传输线探头，虽然其应用场合不如高阻无源探头多，但有其自身的特点。图5.18是这种探头的原理框图。
低阻无源探头的外观可能与高阻无源探头类似，但内部结构不一样。其等效电路是在前端串联了一个分压电阻，使用时要求示波器的输入阻抗设置为50。根据串阻阻值的不同，可以实现不同的分压比，例如串联一个450的电阻就是10∶1的分压。由于采用50的传输电缆这点与高阻无源探头不一样，示波器端也是50的匹配，所以整个探头的带宽比较高，可达数GHz。表5.2是两种低阻无源探头的主要参数。
表5.2两种低阻无源探头的参数
ModelNumberBandwidth-3dBAttenuationRatioInput CInput RScope and ProbeMax InputVoltageAC RMSScope InputCouplingN2874A1.5GHz10∶11.8pF5008.5V CAT I50
N2876A1.5GHz100∶12.2pF5k21V CAT I50
低阻无源探头的最大好处是以比较低的价格提供了比较高的测试带宽可达数GHz，缺点主要是输入阻抗低一般在50~5k。这种无源探头由于输入阻抗低，测试中如果并联在电路中可能会改变被测电路的阻抗和分压关系，会对被测信号产生影响，特别是用于测量高输出阻抗的电路时，因此应用不是特别广泛。5. 有源探头前面介绍过： 高阻无源探头的输入阻抗高，但带宽做不高； 低阻无源探头带宽可以做高但输入阻抗不高。那么是否有一种探头输入阻抗高同时带宽又高呢？这就是有源探头。有源探头泛指需要供电的探头，这种探头中一般有专门的放大器电路，由于放大器需要供电，因此称为有源探头。有源探头也分为很多种，例如单端有源探头、差分有源探头、电流探头等。图5.19是单端有源探头的工作原理。
图5.19有源探头工作原理
有源探头的前端有一个高带宽的放大器，一般放大器的输入阻抗都是比较高的，所以有源探头可以提供比较高的输入阻抗； 同时，放大器的输出驱动能力又很强，所以可以直接驱动后面50的负载和传输线。50的传输线可以提供很高的传输带宽，再加上放大器本身带宽较高，所以整个探头系统相比无源探头就可以提供更高带宽。有源探头的优异特性得益于放大器可以尽可能靠近被测电路从而信号环路很小，减小了很多寄生参数，但是这个高带宽的放大器造价很高，而且又要放在探头前端有限的空间内，因此实现成本很高。一般无源探头的价格都是几百美元，而有源探头的价格普遍在几千美元甚至几万美元量级。图5.20是一款2GHz带宽的单端有源探头，可以看到，其在提供2GHz带宽的同时提供了1M的输入阻抗，很好地平衡了带宽和输入阻抗的要求。高带宽有源探头会要求示波器端采用50的匹配方式，以保证后端的传输带宽，需要注意这个50是指示波器端所采用的阻抗匹配方式，探头本身的输入阻抗还是高阻的。
图5.20一种2GHz带宽的单端有源探头
但是有源探头也不是没有缺点，限制有源探头广泛应用的因素除了价格高外，还有一个原因在于其有限的动态范围。一般高带宽放大器可以正常工作的电压范围都不大，所以高带宽的有源探头也不可能有无源探头那么大的电压测量范围。一般常用的10∶1的高阻无源探头最大可以测量的电压为几百伏，而有源探头的典型动态范围都在几伏以内，甚至有些几十GHz带宽的有源探头的输入动态范围只有1V多，所以应用场合会受到限制。单端的有源探头上会有一个接地插孔，通过地线可以连接被测电路。但是这种结构也造成地环路较大，接地环路的电感效应会限制有源探头的可用带宽，因此当要探测比较高频的信号时，也要使用尽可能短的接地线。由于同样的原因，更高带宽的单端有源探头即使被设计出来也因为对于接地环路的苛刻要求而变得非常不实用，因此单端有源探头的带宽一般在6GHz以内，更高带宽的测量只能使用差分有源探头有些型号的差分有源探头可以同时兼顾单端测试。6. 差分有源探头差分有源探头是一种特殊的有源探头，与普通单端有源探头的区别在于其前端的放大器是差分放大器，如图5.21所示。差分放大器的好处是可以直接测试高速的差分信号，同时其共模抑制比高，对共模噪声的抑制能力比较好。
图5.21差分有源探头原理
图5.22一种30GHz的高带宽差分探头
差分探头都是有源的，因为里面有差分放大器对正负信号相减。差分探头也分为两类： 一种是高带宽的差分探头，另一种是高压的差分探头。
高带宽差分探头主要用于高速信号的测试领域，单端的有源探头由于地线环路较长，其探头带宽很少超过6GHz，对于更高带宽的测试领域，一般都是使用差分探头。另外，当信号速率比较高时，特别是高速率的数字信号，基本都是采用差分的传输方式，用差分探头可以直接测试到正负信号相减后的结果，因此高带宽的差分探头在高速数字信号的测试领域使用非常普遍。图5.22是一种30GHz带宽的差分探头，由探头放大器和测试前端两部分组成。
高带宽差分探头由于采用了很高带宽的放大器，通常其输入量程比较有限，很多高带宽差分放大器的动态范围在5V甚至2.5V以内。而且为了保证高的测量带宽，高带宽差分探头的前端要设计得非常紧凑以减小信号的环路。图5.23是上述30GHz的差分有源探头中使用的基于磷化铟材料的高带宽放大器，其和周围器件一起被封装在一个紧凑的屏蔽腔体内。
图5.23高带宽差分有源探头里面的放大器电路
在另一些场合下，例如高压电的测量、CAN总线的测量、RS485总线的测量、1553B总线的测量等场合下，由于信号速率不高，因此对于带宽要求不高，但是出于接地安全或抗共模干扰等考虑，测试中也需要用差分探头，这时就会用到一些能承受比较高电压输入的差分探头。如图5.24是常用的高压差分探头，可以看到其带宽都不太高在200MHz以下，但可以测量的电压范围都比较大几十伏到几千伏。由于其耐高压和浮地测量能力的特点，在电源或者低速差分总线如1553B总线的测试中有广泛应用。
图5.24常用的高压差分探头
除了单端有源探头和差分有源探头外，还有一种叫作三模探头的特殊探头，三模探头实际上是一种特殊的差分探头。在进行差分信号的测试时需要用户先连接好信号的正端、负端以及地信号，通过探头的内部切换，可以实现差分、单端以及共模这三种模式信号的测量。图5.25是三模探头的测量原理。
图5.25三模探头的测量原理
7. 有源探头的使用注意事项高带宽的有源探头通常带宽高、价格贵，为了保证高的测量带宽，其前端放大器灵敏度比较高，前端附件设计得比较紧凑，因此耐压低，承受机械外力的力量较小。而有源探头一旦损坏，其维修和更换成本又比较高，这里介绍一下有源探头使用中的注意事项。以Keysight公司的InfiniiMaxⅡ系列1168A1169A探头为例，这是专为早期的80000系列和现在的90000系列示波器设计的高带宽差分探头放大器，可以提供高达13GHz的典型测量带宽，支持差分、焊入式、点测和SMA连接方式的连接前端，具有很低的噪声和平坦的频率响应。图5.26是探头放大器及其主要参数。
图5.26典型的高带宽探头放大器及其主要参数
这种分体式的探头放大器需要配合不同种类的前端使用，放大器部分是有源电路，而前端主要是无源的匹配电路，用于提供电气及机械的连接，图5.27是常用的前端类型。
图5.27差分探头的常用前端
在高带宽有源探头使用过程中有以下注意事项。 使用电压范围1169A InfiniiMaxⅡ放大器的带宽为12GHz 典型值为13GHz,动态范围为3.3Vpp,直流偏置范围为16V，最大电压为30V。在测试过程中，如果信号幅度超过动态范围，超过部分可能会有幅度的失真； 而如果被测信号超过最大电压范围，则可能造成探头的永久损坏。 探头放大器和示波器的连接InfiniiMaxⅡ系列探头放大器只能与示波器的镀金焊盘的BNC接口连接。如图5.28所示，连接时要把探头放大器垂直插入示波器输入接口，插入到位后锁扣会自动闭合； 拔出时要先松开锁扣，然后垂直拔出探头放大器。
图5.28探头放大器和示波器的连接
注意在固定连接时，是以连接稳固为准，而不必一味要求将锁扣拨到最右端。图5.29是探头连接锁紧及松开状态的图示。
图5.29探头连接锁紧及松开状态
对于一些更高带宽的示波器，其接口不再使用BNC接口，而是使用带宽更高的2.92mm或 1.85mm同轴连接器接口。如图5.30所示，这种接口探头的连接需要把探头放大器垂直插入接口后旋紧灰色的力矩圈实现探头的固定。
图5.3030GHz带宽差分探头放大器和示波器的连接
探头前端的连接现在很多高带宽差分探头采用放大器和探头前端分体式设计具体原因在后面关于探头前端对于测量的影响章节会有介绍，根据实际测试需要可以选配不同的前端。如图5.31所示，前端可以直接插入放大器的插孔内，也可以直接拔出。但插拔时请不需要旋转也不要弯折，否则会损坏连接器。差分探头前端本身没有正负之分，但探头放大器有正负的区分。单端探头前端插入探头放大器的正端即可。
图5.31差分前端和探头放大器的连接
图5.32是探头放大器和示波器及探头前端连接完成后的图例。
图5.32示波器、探头放大器、探头前端连接完成
探头放大器的断开： 为了测量方便，在测量过程中用户一般不需要关掉示波器主机就可以更换探头的放大器和前端。但是要注意的是，在把探头放大器从示波器上拔出时，探头的输入端要避免有信号输入，如图5.33所示。否则，在拔出探头放大器的过程中可能探头的接地已经断开了，此时的信号输入可能会损坏探头放大器。
图5.33避免测量信号时插拔探头放大器
探头放大器的保存和清洗探头放大器中有精细的内部电路，因此在使用过程中要保持放大器的干燥，轻拿轻放，不能挤压。另外，在使用过程中，还要十分注意静电防护。在保存时，需将放大器上的线缆盘起，收纳于专用的测试包中，避免冲击或过度挤压。线缆盘起时环不能太小，以避免造成损伤。通常建议如图5.34中所示，用拇指固定后，再进行环绕。
图5.34探头放大器的收纳
当探头需要清洗时，首先将其从示波器上断开，并用蘸有低浓度肥皂水溶液的无尘软布擦拭。擦拭完后，确保探头完全晾干以后，才能接入示波器。 工作温度范围很多有源探头放大器的工作温度范围为室温5~40℃，相较而言，探头前端的工作温度范围则大得多。如果需要在放大器工作温度范围外进行测试，可以使用极限温度延长电缆。延长电缆连接于放大器与探头前端之间，将两者物理分离，可以使探测前端工作在被测腔体环境中的同时，放大器仍处于腔外的室温条件下。延长电缆的工作温度范围很广，与不同型号的探头前端配合，最多可以把可以正常测试温度范围扩展到-55~ 150℃。关于更宽温度范围下的信号测试后面会有章节介绍。 焊接探头的固定方法
图5.35焊接探头前端
在进行板上电路测试时，如果使用的是点测的前端，用手持或手柄方式固定即可，但有些时候被测点非常密，或者需要长时间测量，这时可能会使用到焊接的前端，如图5.35所示。
由于焊接前端非常细也非常脆弱，为了防止外力拉拽造成脱落，通常会对探头放大器或前端进行固定。在固定探头前端时，如图5.36所示，可以使用不导电的双面胶带和少量的低温热胶。切忌使用强力胶； 使用低温热胶时，胶不能与前端接触，否则极有可能损坏前端。另外，随放大器附带的尼龙粘合盘，可用于固定放大器。
焊接前端更换和点测前端的使用一些焊接探头前端通常配有可替换的匹配焊接电阻，在使用过程中，如果出现电阻损坏或脱落，可在附带的附件中找到相应的备用电阻，焊接上后即可正常使用，而不需更换整个探头前端，如图5.37所示。不过，焊接过程一定要小心，如果造成探头前端上的焊盘焊脱，则探头前端就已损坏，无法再使用。
图5.36焊接探头固定的正确和错误方法
图5.37焊接前端匹配电阻的更换
在使用差分点测探头前端时，要注意保护前端的探针，千万不能用其去刮、划电路板上的绿油、氧化层、防腐漆或进行类似操作，以免造成探针损伤。探头前端的点测尖端比较脆弱，使用不当时十分容易损坏； 正确的使用方法如图5.38所示，在测试时保持尖端与被测电路垂直。测试时请把点测尖垂直被测PCB板并轻轻下压，注意一定要垂直测试板，否则下压时可能会损坏前端； 调整间距时需通过间距调整旋钮，不能手掰点测尖。
图5.38差分点测探头的使用
SMA探头前端SMA或2.92mm连接器前端主要用于连接SMA接口输出的差分信号，同时在前端上可以提供需要的信号偏置，如图5.39所示。在安装SMA前端时，应先确保放大器与SMA探针前端垂直插入并牢固连接； 在固定好后，不要再频繁调整或拨出探头前端。
图5.392.92mm的差分探头前端
使用注意事项 高带宽探头为了保证带宽，前端尺寸很小，使用中需要控制力度，避免机械损坏。 插拔探头放大器、调整点测前端间距时请按正确方法操作。 每种探头前端都有适用的带宽，使用中请注意根据实际情况选择前端，焊接探头使用时请注意控制焊丝长度。 当探头前端和被测信号连接着时请勿插拔探头放大器。 使用中请注意每种探头适用的动态范围和最大输入电压。动态范围指探头的线性区范围，超过这个范围信号幅度会被压缩； 最大输入电压指探头能承受的最大输入电压，超过这个范围会造成探头损坏。 使用过程中注意ESD防护，不要用手直接触摸探头放大器和示波器的输入端口。8. 宽温度范围测试探头很多电子设备都要在极端的外界环境温度下工作，例如工业级芯片要求能够在-40~85℃的环境下工作，而很多军工级芯片的工作环境温度范围甚至会达到-55~125℃以上。为了验证环境变化时的信号质量及时序裕量，就需要能够在这些极端温度下对信号波形进行测量。很多设备都会被放置于一个温箱内进行温湿度的循环测试。但是，大部分的示波器和示波器探头标称的工作温度范围为0~40℃，如果强行把这些探头置于温箱内的极端环境下，很容易造成探头的损坏。图5.40是普通探头的电缆外皮在高温下被烤化的情况。除此以外，探头内部的连接器、定位装置、放大器等器件都有可能由于极端温度的变化造成损坏。
图5.40普通探头在高温下的损坏
为了实现极端温度下的信号测量，传统的方法是通过耐高温的金属线把信号从温箱内部引出，并连接在探头上进行测试见图5.41。但是，由于这段引线要从温箱内部引出，长度较长通常为20~100cm，而且是完全没有匹配的，所以会存在非常大的电感并严重影响信号质量。因此这种方法只适用于低频信号的测试
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