示波器选购指南：带宽、探头、接地方式全解析
示波器选购指南：带宽、探头、接地方式全解析
示波器是硬件工程师必备的调试工具，正确选择和使用示波器对于电路故障诊断至关重要。本文详细介绍了示波器的选型标准，包括带宽、采样率、存储深度等关键参数，并深入讲解了探头选择、接地方式和测量位置对测量结果的影响。
一、背景简介
电路出故障了，要解决问题就需要循证辩药，调试工具有多样，但对于硬件工程师来说，调试时的眼睛必是示波器无疑，波形样式、幅度、频率等都是疑难杂症散发出的信息，捕获流量密码，就能淘到金，下面来聊聊示波器的选型标准。
示波器分为两种，一种是普通示波器，一种是高速示波器，两者都价格天差地别，先说一组数据：
1）常规示波器低端的有2000元左右，带宽200MHz，配4个示波器探头；
2）高速示波器，优惠后，中端级别的30万左右，带宽1.5Gbps。
厂商销售报价分为3个部分，分别是示波器本体、探头、内嵌软件，分别报价，哈哈，低端示波器不一样的就是这一点，导致整体价格奇高，单个探头售价1万。
有幸选型过3家厂商的高速示波器，和厂商对接过，才发现上面提到的分开销售秘密，太好赚钱了。
一家是泰克的1.5Gbps带宽、5Gbps带宽、12Gbps带宽，报价分别为30万、80万、100多万；
一家是是德科技的12Gbps带宽示波器，报价100多万；
一家是国产的普源的13Gbps带宽示波器，报价接近90万；
从单价上，就能看到硬件工程师使用的都是大价钱货，钱堆出一位独当一面的工程师是不容易的。如果熏出一位高速信号专家，真的是走哪都吃香，所以真的是无可替代，职场中自身有价值，才能立得稳，不论公司是否风雨飘摇，你都是稳如泰山。
二、示波器的选型
1）带宽
示波器带宽不是说 能够测试信号的频率范围，它是1/5的关系，也就是1.5Gbps带宽的示波器，测试波形无损耗的频率上限是1.5Gbps/5=500MHz，为什么是5倍的关系呢？因为方波50%占空比，可以分解为奇次倍频率的正弦波，五次谐波，基本上信号幅度的90%都包含了，所以是5倍的关系。如果测试1.5GHz信号，测试得到的幅度为实际波形幅度大0.707，因为带宽是指正弦信号衰减到-3dB时的频率，-3dB≈0.707。
示波器的带宽包含2个部分，探头的带宽和示波器的带宽，如果是1.5GHz带宽示波器，探头是500MHz带宽，实际测试准确的波形频率也就100MHz左右；如果采用1.5GHz带宽的探头，实际测试准确的波形频率可以达到500MHz。
2）采样率
采样率也就是每秒采样的点数量。采样率一般是带宽的3~5倍，单位sa/s，
也不一定是5倍关系，泰克的示波器销售员介绍说，他们可以做到1.5倍关系，不过波形会有衰减，就看这种衰减能不能接受。
3）存储深度
示波器测试到波形后，存储到内部存储器，然后依据触发条件，调取波形显示在界面上，
三、探头的选型
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，因为关乎探头的负载效应。
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。但是遗憾的是测量系统不可能有无穷大的输入阻抗，而这时候，测量设备的接入，会对被测系统产生什么影响呢？
当采用示波器进行测量时，由于示波器的输入电阻和寄生电容，会使得此时的等效电路图：Rin为输入阻抗，Cin为寄生电容，s代表频率。可以看出，此时测试点的电压已经发生了变化，这导致了探头接入前后，信号本身已经发生了改变。通过公式可以看出，Rin越大，对信号影响越小。而1/(Cin×s)这项是寄生电容与测量信号频率的乘积的倒数，当测试信号频率越高，则这项的影响就越大，要想降低该项的影响，只能尽量降低寄生电容Cin的容值。
由于探头一定要有一段线，否则将不方便测量，而且线的长度一般都会超过1米。这导致了其寄生电容非常大，大约为100pF左右。在测量高频信号时会产生了很大的负载效应。我们再来看一下×10的探头模型：×10探头的输入电容Cin是10pF与后面电容的串联，按电容串联公式计算可知，Cin一定是小于10pF的，远小于×1探头的输入电容，且Rin已经增加到10MΩ。所以×10探头就有更小的寄生电容，更高的输入电阻，从而大大减小了探头的负载效应。
所以测量高速信号时，需要选择×10或者更高衰输入阻抗的探头。（高速信号幅度小-cayden）
四、接地方式的选择：**
常见的接地方式就是利用示波器的接地夹线，虽然这种接地方式简单便捷但是却并不是一种严谨、准确的接地方式。
由于地夹线比较长，其会形成一个寄生电感Lgnd，随着夹线的增长，这个电感也会增大，而这个回路电感会和示波器探头的输入电容Cin产生谐振。这就导致示波器的幅频特性变得不平坦，导致测量不准确。下图为使用接地夹时的等效电路。
下图为用该等效电路仿真出的频谱特性曲线：
可以看出，在60MHz以上的频率，幅度已经产生了超过3dB的过冲，而到达100M左右时，过冲到最大幅度。所以如果采用地夹，测量超过60MHz的信号就会产生比较大的失真。正确的方式应该是采用接地弹簧。接地弹簧具有非常小的电感，可以大大提升探头的带宽。
五、测量位置选择**
对于高频信号而言，PCB走线已经不能简单当做短路线来处理，而是需要考虑到线路上的传播延时、信号反射等方面的影响。传统低速信号之所以可以不考虑PCB走线的影响，是因为其波长较长，PCB走线的长度可以忽略不计，从而当成集中元件来处理。但是高频信号的波长较短，PCB走线的长度已经不可能再被忽略，信号也必须从波的角度去考虑。下图为同一信号在源端和终端测量到的波形：
之所以会这样，是因为电信号在PCB上是向波一样进行传输。其传播速度一般是光速的一半。所以会造成信号在PCB上传播会发生延时，且会根据特性阻抗的变化而产生反射。上图中信号的终端设备并没有进行端接，所以当信号来到终端时会产生一个反射的波，反射回源端，再经过PCB上的延时，反射波和发射信号发生叠加，从而产生源端位置的波形。同理，不只是源端，在整个传输线上，发射信号与反射信号都会发生叠加，差别在于彼此的相位差不同，叠加波形也不同。
可以看出测量点位置的选择，会导致测量结果的巨大差异。所以测量高速信号时，测量位置离终端设备越近越好，这样才能真实的测量出终端设备接受到的信号是怎样的波形。
总结：**
本文主要介绍了测量高速信号的一些注意事项：
1、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。
2、测量高速信号时，需要选择×10或者更高输入阻抗的探头。
3、接地方式的选择，应该尽可能的降低接地回路电感，如使用接地弹簧。这样才能真正发挥测量系统的带宽。
4、测量高速信号时，测量位置离终端设备越近越好，这样才能真实的测量出终端设备接受到的是怎么样的信号。
案例：
示波器参数：采样率2Gs/s，带宽300MHz，存储深度56Mpts
实时存储深度=2Gs/s*1秒(屏幕显示时间)=2pts/ns*1秒=2Gpts
实时存储深度=2Gs/s*0.5秒(屏幕显示时间)=1Gbts
实时存储深度=2Gs/s*28ms(屏幕显示时间)=56Mpts
依据采样率，存储深度，判定出屏幕显示总时间