抑制示波器探頭過沖和振鈴現象的技術探討

示波器探頭作為示波器與被測電路之間的橋梁，其性能直接影響到測量結果的準確性。隨著電路設計速度的不斷提升，高頻信號的測量變得愈發普遍，而示波器探頭在高頻信號測量中引入的過沖和振鈴現象成為影響測量精度的關鍵因素。本文將深入探討如何抑制示波器探頭產生的過沖和振鈴現象，確保測量結果的真實性和可靠性。

示波器探頭的重要性與電路模型

示波器探頭不僅是從被測電路中獲取信號的關鍵器件，其自身也成為測量系統的一部分。探頭中存在的分布電容和分布電感，在高頻信號測量中會顯著影響信號的頻率特性，導致信號失真。從電路模型來看，示波器探頭可以視為一個串聯諧振電路，其阻抗模型如圖3所示。當達到諧振頻率點時，系統阻抗降低為最小，引起電壓的劇烈變化，從而產生過沖或振鈴現象。

過沖與振鈴的定義及危害

過沖（Overshoot）

過沖是指信號在邊沿轉換時，第一個峰值或谷值超過設定電壓的現象。對于上升沿，過沖表現為最高電壓超過設定值；對于下降沿，則表現為最低電壓低于設定值。過沖不僅影響信號的完整性，還可能對電路元器件造成損害，如引起保護二極管工作，導致過早失效。

振鈴（Ringing）

振鈴是緊隨過沖發生的高頻波動現象，表現為信號在過沖后跌落到低于穩態值，然后反彈到高于穩態值，并可能持續一段時間。振鈴產生的電壓波動可能多次跨越邏輯電平的電壓閾值，造成接收端的誤判，影響電路的正常工作。

抑制過沖和振鈴的方法

1. 減小電感，提高諧振頻率

根據諧振頻率計算公式 f0=2πLC1，減小電感L可以提高諧振頻率，使諧振頻率移至示波器和探頭帶寬之外，從而減少對測量的影響。在實際操作中，可以通過減少測試引線和接地線長度來降低電感，因為每英寸電線都會產生高達25nH的電感。

2. 降低諧振強度Q

諧振強度Q是衡量諧振現象強弱的重要指標，Q越高表示諧振越強。根據Q的計算公式 Q=R2πfL，增大電阻R可以降低諧振強度。因此，在探頭設計中引入阻尼電阻是一種有效的抑制過沖和振鈴的方法。例如，是德科技的InfiniiMax系列探頭就標配了前端阻尼電阻，以確保信號測試的真實性。

3. 使用阻尼附件技術

探頭的阻尼附件提供了一種靈活的使用模型，可以在其規定帶寬內維持低輸入電容和電感以及平坦的頻率響應。通過合理設計阻尼附件，可以進一步降低探頭引入的諧振現象，提高測量精度。例如，Keysight的InfiniiMode N2750A有源差分探頭系列、1156A-58A系列和InfiniiMax系列探頭均采用了這種阻尼附件技術。

4. 優化探頭連接與接地

探頭連接方式和接地引線的長度對測量結果也有顯著影響。長接地引線會增加電感，從而引入更多的諧振和振鈴現象。因此，在實際測量中應盡量縮短接地引線長度，或使用彈簧接地引線等低電感連接方式。此外，對于單端探頭，應將電阻放在信號引線上，并盡量保持接地引線短路；對于差分探頭，則可將電阻器放置在引線尖上，并保持引線長度相同。

5. 使用雙探頭檢查探頭負載

為了評估探頭對被測電路的負載效應，可以使用雙探頭檢查方法。具體做法是：先將一個探針連接到電路上的一點，然后再將第二個探頭連接到同一點。在理想狀況下，應看到信號無任何變化。如果信號產生變化，則說明探頭負載對測量結果產生了影響。此時，可以考慮調整探測方式或使用較低負載的探頭。

示波器探頭在高頻信號測量中引入的過沖和振鈴現象是影響測量精度的關鍵因素。通過減小電感、降低諧振強度Q、使用阻尼附件技術、優化探頭連接與接地以及使用雙探頭檢查探頭負載等方法，可以有效抑制過沖和振鈴現象，確保測量結果的真實性和可靠性。在實際應用中，應根據具體測量需求和探頭特性選擇合適的抑制方法，以提高測量精度和電路設計的可靠性。