我们常常认为测量总是正确的。毕竟，现实世界就是这样的。它们是客观现实的衡量标准。它们不应该取决于我们认为我们应该得到什么，或者我们希望我们应该得到什么。它们是现实的直接锚，我们应该调整我们的理论以符合测量结果。
这是一种过于简单的测量观点。有一个关键的缺失成分我们必须要有解释测量:关于我们如何执行测量的详细信息以及关于被测设备(DUT)的信息。如果没有这个关键信息，您就不能正确地解释度量。
为了说明盲目接受任何测量的危险，让我们看看每个瞄准镜前面庄严的cal信号。图1显示了到my上的cal信号的连接示例Teledyne Lecroy 8108A范围。每一个Keysight, Tek和其他供应商的瞄准镜都有一个这样的连接。
数字1。我的LeCroy 8108A瞄准镜上的cal连接的近距离镜头
从cal连接出来的信号是方波。方波的特征有四个术语:
- 重复频率
- 峰间振幅
- 占空比
- 上升时间
由于有一个客观的现实信号来自cal连接，你会认为每个人都会测量这个信号完全相同。你错了。图2是一个三次测量的例子，观察相同的cal信号，但得到完全不同的振幅和上升时间。
数字2。三种不同的cal信号测量。哪一个是正确的?
在这些例子中，重复频率和占空比完全相同，但上升时间和峰峰电压测量不同。同一信号的三种不同测量结果怎么会如此不同?哪一个是正确的?你怎么知道?
谁没有在他们的瞄准镜上测量过cal信号?从源中出来的是什么?
要解开这个谜团，我们需要考虑三个重要因素:
- 仪器的细节，在这种情况下，是范围
- 接口从作用域到源的详细信息，在本例中是探针
- 详细介绍了电源、实际输出峰峰电压时的空载情况，以及其输出电源的阻抗和电路。
作为一名正牌物理学家，我绝对相信客观现实的存在。实际电压波形出现在cal连接是相同的所有观察员。但是测量的行为本身会改变实际情况。这是海森堡测不准原理的一个版本，尽管不是由于基本的量子极限，而是由于我们在选择测量系统时所选择的成本-性能平衡。
通过理解细节，我们可以创建一个与所有测量一致的现实模型。
细节
我使用的瞄准镜是Teledyne LeCroy 8108 HDO瞄准镜。它具有1 GHz的模拟前端带宽和每秒10 Gsamples的采样速度。我在使用它方面足够熟练，我确信所有测量都使用相同的采集率和其他设置。在使用现代高端瞄准镜时，这始终是一个重要的考虑因素，因为它们有很多可以调整的变量。
设置示波器时要注意的另一个重要特性是放大器的输入阻抗。我使用了两个不同的值，50欧姆和1梅格输入。使用50欧姆是为了防止电缆中的反射。在使用同轴电缆探头和示波器时，我测量了上升时间范围限制为0.45 nsec 10-90上升时间的信号。
这个谜题的第二部分是探针。我用了三种不同的探针进行测量。一种是短长度的50欧姆同轴电缆与抓手尖端连接到cal连接器。我用的第二个探针是LeCroy PP023被动探头，主力10倍被动探头，非常类似于今天几乎所有范围的发货。第三个探头我用的是旧的LeCroy PP016被动1x和10 x探头，设置为1x。
最后，第三个难题是信号源本身。至少，每个源必须知道的三个最重要的特征是空载电压输出，源电阻及其其他相关电路元件和信号上升时间。如果你不知道这些特性，你就不知道它在任何测量电路中的表现。
通过测量信号阻抗加载非常高时的输出电压电平，以及加载50欧姆负载时的电压，我推断出空载输出信号电平为1.02 V，输出阻抗为800欧姆。需要注意的是，这种输出阻抗非常高。这一参数是影响测量结果的最重要项。一般来说，由于没有意识到输出源阻抗，导致解释信号完整性测量的大部分混乱，特别是这些cal信号测量。
cal信号的上升时间是一个棘手的测量。重要的是要确信你的瞄准镜和探头测量系统的系统测量带宽至少是信号的两倍。使用同轴探针和捕获器尖端测量其他信号源，我已经测量到信号10%-90%的上升时间低至0.45 nsec，这是我的1 GHz范围的极限。
使用同轴探针和抓取器尖端，我能够测量5.0 nsec的10%到90%的上升时间。我有很高的信心，我的系统带宽远远高于这个信号带宽，所以这可能是一个现实的信号上升时间。
这意味着cal信号是一个1.02 v方波，来自一个800欧姆的源，上升时间为5 nsec。
现在，您应该已经掌握了拼图的各个部分，可以将完整的图像组合在一起，并解开为什么我得到相同信号的三种不同测量值的谜团。在继续阅读之前，花点时间看看你是否能理解它们。
50欧姆电缆测量
这是我所能做的最好的控制阻抗，低电感连接到卡源的夹上引线。探针配置的特写如图3所示。
数字3.。使一个可控阻抗，低电感连接到cal连接器。
对于这次测量，我使用了50欧姆的范围输入阻抗。将50欧姆的同轴电缆连接到50欧姆的瞄准镜中，可以消除电缆瞄准镜一端的反射。好消息是，任何进入同轴电缆设备端的信号都沿着电缆传输到示波器并被终止。没有任何东西能反射到源头。
坏消息是我们刚刚在测试设备(DUT)上附加了一个50欧姆的负载。当我们将一个50欧姆的负载连接到一个有800欧姆输出阻抗的电源时，我们刚刚创建了一个分压器。这意味着进入同轴电缆的信号不是1.02源电压，而是这个信号，经过分压器，1.02 V x 50/ (50 + 800) = 60 mV。
这是发射到同轴电缆的信号，并向下传播到瞄准镜。一旦在范围输入，它看到一个50欧姆的电阻，并转化为没有反射信号的热量。放大器通过50欧姆电阻测量电压。
图4显示了瞄准镜接收机处的测量信号。它有5 nsec的上升时间，并达到61 mV的稳定值，完全符合预期。这是解释源的输出上升时间为5 nsec的基础。
数字4。测量信号在示波器输入端使用50欧姆终端和短的50欧姆电缆，带有捕获器尖端。
10倍探针
PP023探针类似于每个供应商提供的每个范围的10倍探针。它被设计成与1兆终端的瞄准镜连接。尖端有一个9兆的电阻，所以作用域上的信号，通过它的1兆电阻，是尖端信号的1/10。这是10x(实际上是1/10)的原点thX探针)描述。
如果在示波器上使用50欧姆终端，则分压器比为50欧姆/9Meg。产生的信号将是微小的。如果尖端电压为1v，则范围电压为5.5uV。这就是为什么8108A示波器会在你试图使用50欧姆的10倍探头时发出警告。
探针的固有带宽为500 MHz。然而，这是在测量50欧姆的源阻抗时。在高频时，探头的输入阻抗看起来像一个大约10 pf的电容器。用一个50欧姆的源驱动探头，一个1 pss上升时间源信号，10-90%的上升时间将是2.2 x 50 x 0.01 nF = 1.1 nsec。这就是这个探针的500 MHz带宽规格的起源。当源阻抗小于50欧姆时，我测量过较短的上升时间。
当PP023探针连接到cal源时，我们测量的上升时间为40 nsec。如图5所示。这比源的5 nsec固有上升时间大得多。为什么呢?
数字5。用PP023 10x探头测量cal源。
当源阻抗为800欧姆时，我们预计上升时间为2.2 x 800 x 10 pF = 18 nsec。测得的上升时间仍然比这个时间大。为什么呢?
如果有一个12.5 pF的有效输出电容与范围前面板上的夹的内部引脚和连接相关，那么800欧姆源驱动器的有效输入电容将是12.5 pF + 10 pF = 22.5 pF，上升时间将是2.2 x 800 x 22.5 pF = 40 nsec。这与我们测量的结果一致。为什么我们没有在50欧姆电缆测量中看到这一点?
当我们将50欧姆电缆连接到12.5 pF电容上并测量5nsec上升时间时，12.5 pF电容在最高频率0.35/5nsec = 70 MHz时的阻抗为170欧姆，与50欧姆负载使其短路相比很大。与电缆的50欧姆负载相比，这个12.5 pF电容是看不见的，我们对它不敏感。
我们看到，为了解释这个简单热量源的观测行为，还有额外的源的特征，这些特征对测量的特征起着影响作用。
1x探针
老式的PP016探头在尖端上设计了一个开关，可以选择10x选项或1x选项。选择1x选项后，尖端通过尖端的9 Meg电阻和10 pF电容直接连接到示波器的输入端。
然而，在尖端和BNC连接器之间的范围是一个非常特殊的电缆。在所有10倍探头中，电缆非常特殊。信号导体直径约3密耳，非常薄，由电阻性镍铬合金组成。这使其具有400欧姆的串联直流电阻，可以很容易地用欧姆计测量。
此外，电介质是泡沫聚四氟乙烯，这意味着它有一个Dk非常接近空气，约1。这种组合意味着电缆的特性阻抗约为200欧姆，其每长度的电容约为6 pF/英尺。相比之下，RG58, 50欧姆电缆为33 pF/英尺。图6显示了电缆截面的特写。
数字6。10倍探头电缆的截面，显示薄的中央导体和泡沫介质。
电阻性中心导体和高特性阻抗的组合意味着电缆正在衰减。电缆的时间延迟，基于它的4英尺长度，大约是4 nsec。由于电缆的高特性阻抗，瞄准镜的50欧姆并不是很好的匹配。当一个信号在200欧姆电缆中传播，并到达示波器的50欧姆时，它将反射，反射系数为-75%。这种反射会返回到源，如果源是低阻抗，一些分数将再次反射并返回到范围。
反射返回作用域的往返时间为8 nsec。然而，由于损耗，反射信号被衰减。随着电缆衰减，电缆的带宽降低。对于一阶，电缆的RC常数约为400欧姆x 24 pF = 10 nsec。10-90%的上升时间大约是22 nsec。电缆末端的反射总是会发生，但我们永远无法解决它们，因为它们随着电缆损耗的增加而逐渐消失。
我们可以通过测量来自低阻抗源的快速信号来测量电缆的固有上升时间。图7测量了2 nsec上升时间，20欧姆源阻抗信号使用50欧姆输入示波器。用这个探测器测得的上升时间约为18 nsec，非常接近我们估计的22 nsec。
数字7。用1x探头和50欧姆输入测量2 nsec信号。
值得注意的是，使用这个固有电缆上升时间，电缆带宽为0.35/18 nsec = 20 MHz。这是1x探针在50欧姆尺度上的带宽。这远远低于该探头的额定300mhz带宽。即使源阻抗为1欧姆，带宽也会相同。这条电缆如何能够在10x位置显示300mhz带宽?
秘密是在使用9兆电阻与并联10 pF电容器和1兆范围输入阻抗。在10x设置时，尖端并联电容和电阻作为高通滤波器，平衡专用衰减电缆的低通滤波器。这种电路使电缆“均衡”，并使其具有更高的带宽。这与许多高速串行链路中使用的连续时间线性均衡器(CTLE)滤波器的原理相同，通常放置在接收机上。10倍探头中的均衡器内置在探头尖端。
当我们将这个没有均衡器的1x探针连接到cal信号的800欧姆源阻抗，并使用示波器的1 Meg输入阻抗时，我们看到一个1.02 V的峰对峰信号，正如我们所预期的那样，但上升时间测量为约175 nsec。这是2 MHz的有效带宽。对于SI应用来说，这是一个毫无价值的信号。不要使用1x探针设置。
怎么会这么长?
这个简单的1x探头实际上是一个电路的一部分，它有一个800欧姆的源阻抗，一个12。开始时5 pF负载，一个400欧姆系列，分布电缆电阻和一个24 pF分布电缆电容，在1 Meg输入设置上看到一个15 pF的范围输入电容。作为一个粗略的一阶估计，该系统的等效RC充电时间常数约为2.2 × (800 + 400) × (12.5 pF + 24 pF + 15 pF) = 135 nsec。这接近175 nsec测量的10-90上升时间。
总结
测量很容易。解释结果来理解我们得到的结果可能是非常微妙的。我们已经证明，即使是在您实验室中每个瞄准镜前可用的简单cal信号，也需要有关瞄准镜、探头和DUT的详细信息。
这就是为什么应用第9条规则并分析每个测量值是如此重要。不要盲目地接受他们。
我的好友Scott McMorrow是行业偶像，也是Samtec的首席技术官，他说:“除了运行模拟的人，没有人会相信模拟，但是每个人都相信测量，除了执行它的人。”
也许现在我们也看到了质疑测量细节的价值。
