示波器測量高速信號時的注意事項

隨著電子技術的快速發展，通信信號頻率越來越高，信號質量要求也越來越嚴。測量這些高速信號是不是只要選一個昂貴的示波器就行了呢？其實不然，如果一些細節沒有被注意，再貴的示波器也不見得測得準！

一、帶寬選擇

測量高速信號，首先要考慮測試系統的帶寬，這個測試系統的帶寬包括探頭的帶寬和示波器的帶寬。要測量100MHz的信號，用一個100MHz帶寬的示波器是不是就可以了？一些用戶可能對帶寬的概念并不是很清晰。認為100MHz帶寬的示波器就可以測量100MHz的信號了，其實并不是這樣。帶寬所指的頻率是正弦波信號衰減到-3dB時的頻率，而我們一般測量的數字信號都不是正選波，而是接近方波。這兩者對帶寬的需求是不同的。

根據傅里葉變換可知，方波可以分解為奇次倍數頻率的正弦波。比如1MHz的方波，是由1MHz、3MHz、5MHz、7MHz......等正弦波疊加而成。下圖為不同濾波器下方波信號的響應。分別為把濾波器設置為方波基頻頻率、3次諧波頻譜、5次諧波頻率、7次諧波頻率的方波響應。

圖 1  截至頻率為方波頻率的濾波情況

圖 2  截至頻率為方波3次諧波頻率的濾波情況

圖 3  截至頻率為方波5次諧波頻率的濾波情況

圖 4  截至頻率為方波7次諧波頻率的濾波情況

可以看出想要得到較為完整的方波信息，最少需要5次諧波分量，而且如果想要獲得更加準確的信息，就需要能夠測量到更多的諧波分量。

所以選擇示波器和探頭帶寬時至少要選擇被測量方波信號的5次諧波頻率以上的帶寬。

二、探頭的選擇

示波器是無法直接對信號進行測量的，必須通過一個物理連接將信號傳輸到示波器內。這種物理連接就是探頭。探頭對高速信號測量來說至關重要。普通無源探頭一般有1:1探頭和10：1探頭兩種。這兩種探頭除了衰減比例不同外，還會對高速信號產生很大的差異。想要解釋這個問題，需要現討論一下探頭的一個關鍵特性——負載效應。

理想情況下，我們希望我們的測量設備的阻抗無窮大，這樣測試設備的接入就不會對被測系統產生任何影響，從而保證測量的真實性。但是遺憾的是測量系統不可能有無窮大的輸入阻抗，而這時候，測量設備的接入，會對被測系統產生什么影響呢？假設被測試系統如下圖所示。

圖 5  被測系統等效示意圖

可以看出，測量點電壓：V_out=V_sig×R_L/(R_L+R_S )；

而當采用示波器進行測量時，由于示波器的輸入電阻和寄生電容，會使得此時的等效電路圖如下圖所示：

圖 6  探頭接入等效示意圖

可以看出，此時測量點電壓為：V_out=V_sig×(R_L ||R_in ||（1/(C_in×s)）)/(R_L ||R_in ||（1/(C_in×s)）+R_s )；

其中R_in為輸入阻抗，C_in為寄生電容，s代表頻率。可以看出，此時測試點的電壓已經發生了變化，這導致了探頭接入前后，信號本身已經發生了改變。通過公式可以看出，R_in越大，對信號影響越小。而1/(C_in×s)這項是寄生電容與測量信號頻率的乘積的倒數，當測試信號頻率越高，則這項的影響就越大，要想降低該項的影響，只能盡量降低寄生電容C_in的容值。

下圖為×1探頭的模型：

圖 7  ×1探頭模型圖

由于探頭一定要有一段線，否則將不方便測量，而且線的長度一般都會超過1米。這導致了其寄生電容非常大，大約為100pF左右。在測量高頻信號時會產生了很大的負載效應。我們再來看一下×10的探頭模型：

圖 8  ×10探頭模型圖

可以看出，×10探頭的輸入電容C_in是10pF與后面電容的串聯，按電容串聯公式計算可知，C_in一定是小于10pF的，遠小于×1探頭的輸入電容，且Rin已經增加到10MΩ。所以×10探頭就有更小的寄生電容，更高的輸入電阻，從而大大減小了探頭的負載效應。

所以測量高速信號時，需要選擇×10或者更高衰輸入阻抗的探頭。

三、接地方式的選擇

傳統的使用習慣上，示波器的接地方式就是那根長長的接地夾線。這種接地方式，確實是一種簡單方便的接地方式，但是卻并不是一種嚴謹的、準確的接地方式。

圖 9  接地夾線示意圖

由于地夾線比較長，其會形成一個寄生電感L_gnd，隨著夾線的增長，這個電感也會增大，而這個回路電感會和示波器探頭的輸入電容C_in產生諧振。這就導致示波器的幅頻特性變得不平坦，導致測量不準確。下圖為使用接地夾時的等效電路。

圖 10  接地夾線等效電路圖

下圖為用該等效電路仿真出的頻譜特性曲線：

圖 11  頻譜特性曲線圖

可以看出，在60MHz以上的頻率，幅度已經產生了超過3dB的過沖，而到達100M左右時，過沖到最大幅度。所以如果采用地夾，測量超過60MHz的信號就會產生比較大的失真。正確的方式應該是采用接地彈簧。接地彈簧具有非常小的電感，可以大大提升探頭的帶寬。

圖 12  接地彈簧示意圖

四、測量位置選擇

對于高頻信號而言，PCB走線已經不能簡單當做短路線來處理，而是需要考慮到線路上的傳播延時、信號反射等方面的影響。傳統低速信號之所以可以不考慮PCB走線的影響，是因為其波長較長，PCB走線的長度可以忽略不計，從而當成集中元件來處理。但是高頻信號的波長較短，PCB走線的長度已經不可能再被忽略，信號也必須從波的角度去考慮。下圖為同一信號在源端和終端測量到的波形：

圖 13  不同位置測量差別圖

之所以會這樣，是因為電信號在PCB上是向波一樣進行傳輸。其傳播速度一般是光速的一半。所以會造成信號在PCB上傳播會發生延時，且會根據特性阻抗的變化而產生反射。上圖中信號的終端設備并沒有進行端接，所以當信號來到終端時會產生一個反射的波，反射回源端，再經過PCB上的延時，反射波和發射信號發生疊加，從而產生源端位置的波形。同理，不只是源端，在整個傳輸線上，發射信號與反射信號都會發生疊加，差別在于彼此的相位差不同，疊加波形也不同。

可以看出測量點位置的選擇，會導致測量結果的巨大差異。所以測量高速信號時，測量位置離終端設備越近越好，這樣才能真實的測量出終端設備接受到的信號是怎樣的波形。

本文中指出了一些測量高速信號的一些注意事項，歸納如下：

1. 選擇示波器和探頭帶寬時至少要選擇被測量方波信號的5次諧波頻率以上的帶寬。

1. 測量高速信號時，需要選擇×10或者更高輸入阻抗的探頭。

1. 接地方式的選擇，應該盡可能的降低接地回路電感，如使用接地彈簧。這樣才能真正發揮測量系統的帶寬。

1. 測量高速信號時，測量位置離終端設備越近越好，這樣才能真實的測量出終端設備接受到的是怎么樣的信號。

以上就是本文的主要內容。ZDS4054 Plus示波器具有500MHz帶寬，可以真實測量100MHz的方波信號，配合探頭可以實現9pF的輸入電容，大大降低測量負載效應，可以很好的測量大多數高速信號。

隔離收發器的UL與CE認證需要測試什么項目？

ZLG隔離收發器通過美國UL、歐盟CE認證，打造世界級可靠性性隔離收發器，適用于各類工業CAN、RS-485總線中，有效提升總線的防護等級，保證通訊的可靠穩定。

廣州致遠電子有限公司于2001年成立，注冊資金五千萬元人民幣，是國家級高新技術認證企業，國內嵌入式、工業互聯網行業等領域的知名企業，具有深厚的嵌入式與工業通訊技術積累。

2018年7月，致遠電子有限公司憑借著完善的產品質量保證體系，近二十年的CAN總線隔離技術積累，從產品的研發、測試、生產到用戶使用環環相扣，保證隔離收發器系列產品擁有穩定、可靠的性能，分別獲得《美國UL認證》《歐盟CE認證》證書，用卓越品質，打造世界級隔離收發器。

一、  隔離收發器認證簡介

1、       UL認證

UL是美國保險商試驗所（Underwriter Laboratories Inc.）的簡寫。UL安全試驗所是美國最有權威的，也是世界上從事安全試驗和鑒定的較大的民間機構。UL在創新性安全解決方案領域，擁有逾一個世紀的專業知識，從公眾用電到具有突破性的可再生新興能源及納米技術，UL涵蓋各學科的方方面面。UL致力于為公眾創造更安全的生活與工作環境，保障公眾、產品及場所的安全，從而推動全球貿易，為公眾提供安心。致遠電子隔離收發器UL認證遵從UL 62368-1和CAN/CSA C22.2 No. 62368-1-14《音/視頻、信息與通訊設備 第1部分：安全要求》標準。

圖1  UL圖標

2、       CE認證

CE認證，即只限于產品不危及人類、動物和貨品的安全方面的基本安全要求，而不是一般質量要求，協調指令只規定主要要求，一般指令要求是標準的任務。因此準確的含義是：CE標志是安全合格標志而非質量合格標志。是構成歐洲指令核心的"主要要求"。

圖2  CE圖標

3、       CB認證

CB體系（電工產品合格測試與認證的IEC體系）是IECEE運作的－個國際體系，IECEE各成員國認證機構以IEC標準為基礎對電工產品安全性能進行測試，其測試結果即CB測試報告和CB測試證書在IECEE各成員國得到相互認可的體系。

圖3  CB標志

4、       測試項目

測試項目主要分為兩部分，EMC及安規測試。EMC測試主要包括輻射（EMI）與抗擾（EMS），輻射測試項目具體如下所示：

多媒體設備的電磁兼容性發射要求（EN 55032-2015）；

電磁兼容性(EMC).第3部分:極限值.第2節:諧波電流輻射的極限值（EN 61000-3-2:2014）；

電磁兼容性(EMC).第3-3部分:限值.每相額定電流小于等于16 A、不受條件限制的連接設備用公共低壓供電系統電壓變化、電壓波動和閃爍的限制(IEC 61000-3-3-2013)。

EMC抗擾測試項目具體如下所示：

電磁兼容性(EMC).第4-2部分:試驗和測量技術.靜電放電抗擾試驗(IEC 61000-4-2-2008)；

電磁兼容性(EMC).第4-3部分:測試和測量技術輻射，射頻，電磁場抗擾度試(IEC 61000-4-3:2010)；

電磁兼容性(EMC).第4-4部分:試驗和測量技術-電快速瞬變/脈沖群抗擾度試驗(IEC 61000-4-4:2012);

電磁兼容性(EMC).第4-5部分:試驗和測量技術.電涌抗擾試驗(IEC 61000-4-5:2005)；

電磁兼容性(EMC).第4-6部分:測試和測量技術.射頻場感應的傳導干擾抗擾性(IEC 61000-4-6:2008)；

電磁兼容性(EMC).第4-8部分:試驗和測量技術 工頻磁場抗擾度試驗(IEC 61000-4-8:2009)；

電磁兼容性(EMC).第4-11部分:試驗和測量方法.電壓降、短路和電壓波動抗擾試驗(IEC 61000-4-11:2004)。

以上測試項目ZLG致遠電子隔離模塊均全部通過，可適用于各類工業現場應用，有效的提升總線防護能力，測試結果如下所示。

圖4  UL EMC測試報告

安規測試主要包括：信息技術設備的安全性.第1部分:一般要求(IEC 60950-1:2005)、音/視頻、信息與通訊設備 第1部分：安全要求(IEC 62368-1:2014)。具體如下所示。

圖5  CB IEC 60950-1:2005安規測試報告

圖6  CB IEC 62368-1:2014安規測試報告

二、致遠電子隔離模塊簡介

致遠電子2003年發布國內首款隔離CAN/RS-485收發器，已有近二十年的總線隔離技術積累。目前CTM系列隔離CAN收發器覆蓋CAN2.0A、CAN2.0B、容錯CAN和CAN FD等所有CAN-bus通訊協議，RSM系列隔離RS-485收發器傳輸通道覆蓋單路、雙路和四路，傳輸速率支持9.6kbps~1Mbps，是中國隔離CAN收發器行業領導品牌。致研電子隔離收發器內置完整的隔離DC-DC電路、信號隔離電路、CAN/RS-485總線收發電路以及總線防護電路，具備更高的集成度與可靠性，適用于需要高穩定性總線通訊的場合，能夠有效幫助用戶提升總線通信防護等級。現致遠電子已卓越的性能及穩定性榮獲美國UL、歐美CE認證，全面打造世界級穩定性隔離收發器，通過UL/CE認證的型號具體如下所示：

隔離CAN收發器：CTM1051K(A)T、CTM8251K(A)T；

隔離RS-485收發器：RSM(3)485PHT、RSM(3)485ECHT。

圖7  通過UL/CE認證系列