波形和測試表的數值不同

我主要負責車載用設備的瞬态浪湧測試儀等産品。曾經收到過客戶的咨詢内容如下：“這次我們采購了菊水的産品，貴公司說波形觀測需要使用1/100的探頭，所以我們也一起買了。但實際進行波形觀測後發現，和測試表的數值不同。這是怎麼回事呢？”。了解詳細情況後發現，示波器的設置，外圍環境^※1的準備都不存在問題，而且1/100的探頭也沒有動過，還是剛購買時的樣子。

一般來說，探頭需要連接使用的示波器，進行整體校準（調整）。這是确認“探頭是否損壞？是否能正确觀測？”所必須要做的工作^※2。話雖如此，如果所觀測的波形是ms以上（有時可能是μs以上）的動作，或者隻是單純地确認high／Low的水平，絕大部分情況下使用未做調整的探頭也是沒有問題的。

但是，當使用無源探頭觀測“ns”〜“μs”的上升沿，或是寬度高速變化的波形時，則必“正确”調整探頭。

※1 有些機型的示波器需要使用隔離變壓器進行保護。
※2 關于探頭校準的見解，請向各生産廠商咨詢。

出現問題的原因幾乎都是沒有調整好

測量上升時間和脈沖寬度為納秒級的高速脈沖時，需要準備頻帶寬度大，采樣數多的示波器。如果觀測對象設備的輸出阻抗是50Ω級的同軸結構，則通過使用同軸型的衰減器和同軸電纜，可以将示波器和脈沖發生器直接連接起來^※3。使用這種觀測方法，可在低損耗，低延時的狀态下觀測對象波形。

一般來說，被稱為浪湧發生器的設備規格由國際标準，地區标準，廠家标準等決定，幾乎所有的浪湧發生器都不是同軸結構的50Ω級輸出。因為端子形狀不是同軸結構的50Ω級，所以波形觀測需要使用差分探頭和無源探頭。在使用差分探頭和無源探頭的觀測方法中，可能無法觀測到與測試儀的校準數據（測試表的數據）相同的數值。“與觀測結果不同”的咨詢内容幾乎都是包含這種“ns”〜“μs”的上升沿和脈沖寬度的波形，由于沒有調整好，導緻觀測結果出現差異^※4。

使用差分探頭進行波形觀測時的咨詢案例主要包括：

• 示波器和探頭都是菊水的推薦産品，但無法觀測到正确的波形

• 探頭是請菊水校準過的，但觀測結果不一緻。

• 改成了相同頻帶寬度的示波器，但觀測結果完全不同。

等等。

※3 示波器需要使用50Ω進行終端連接。
※4 僅限咨詢菊水公司生産的測試儀。

對這種顯而易見的結論感到很過意不去

針對上述咨詢的回答内容如下。

Ｑ：示波器和探頭都是菊水的推薦産品，但無法觀測到正确的波形。

─A：需要将示波器和探頭組合起來進行校準。

Ｑ：探頭是請菊水校準過的，但觀測結果不一緻。

─A：如果隻校準探頭，觀測結果會因示波器的不同而異。（如果不和示波器組合起來調整，觀測結果會不一緻，這個情況已經事先告知了。）

Ｑ：改成了相同頻帶寬度的示波器，但觀測結果完全不同。

─A：即使頻帶寬度和采樣數相同，如果輸入容量不同，觀測結果也會不一緻（即使使用相同型号的示波器進行觀測，由于輸入容量存在個體差異，也不會得到相同的結果）。

示波器的使用方法是電氣檢測的基礎，幾乎所有人在初學階段都接受了相關指導。對于專家級工程師來說，這是使用營銷工具的基礎，屬于一般性的“常識”，而對于缺乏經驗的新手，或隻是偶爾使用示波器的人來說，探頭的調整和校準這種最為關鍵的工作往往會意外地忘掉（或者容易理解錯誤）。
因此，為了确保觀測波形的正确性，将示波器和探頭組合起來進行校準是非常重要的。就是這麼一個顯而易見的故事。

如果寫到這裡就結束會有些無聊，所以我再向大家講一個比較測試的情況，詳見下頁。慶幸的是，本公司有很多高壓脈沖發生器以及各種型号的示波器。将這些設備作為驗證材料，看一下究竟會有多大差異。這個驗證測試的結果基本上可以想象出來，但是我想應該很少有人會去做這樣的事情，所以這種測試還是比較少見的（笑）。如果能成為大家談論的話題，我将不勝榮幸。

首先校準探頭

剛才已經說過，使用示波器和探頭進行數據觀測時，需要校準探頭，而校準探頭使用的是示波器CAL端子的矩形波脈沖波形^※5。該示波器的CAL端子隻能輸出幾伏（最高約5V）電壓。由于瞬态浪湧波形會輸出幾十伏至幾百伏脈沖，因此觀測所需的無源探頭的衰減率為1/100或1/1000。這種衰減率的探頭即使連接到示波器的CAL端子上，也幾乎沒有振幅。校準1/100和1/1000探頭時，需要使用高壓矩形波脈沖發生器。但高壓（矩形波）脈沖發生器價格非常昂貴且難以獲得，因此在本次測試中，我們使用更加直接的ISO7637-2标準測試儀的3b波形來校準1/100差分探頭（無源探頭）^※6。

※5 “CAL端子”的名稱因示波器廠商不同而異。
※6 校準方法的詳情和注意事項在此省略。

本公司的ISO7637-2标準檢測儀“KES7700系統”的3b輸出采用50Ω級的同軸結構。該結構可使用衰減器等直接連接示波器，在低損耗，低延時的狀态下觀測輸出波形。此外，使用無源探頭檢測時，通過使用将探頭前端變更為BNC型轉換适配器，可減輕對探頭檢測有很大影響的“接地線走線”的影響。輸出為300V（50Ω終端連接時為150V），可以獲得足夠振幅，适合用于比較本次測試所需的檢測儀之間的差異^※7。

※7 ISO7637-2的3b波形隻用于校準峰值部分。DC水平的調整使用函數信号發生器等。

使用各種示波器觀測ISO7637-2的3b波形的結果

在本次測試中使用的示波器規格如表1所示。順便說一下，在ISO7637-2标準中要求示波器的頻帶寬度應達到400MHz以上，全部示波器均滿足該要求規格。

表1 試驗使用的示波器

名稱	1型	2-1型	2-2型	3型	4型	5型
頻帶寬度	2.5GHz	500MHz	500MHz	500MHz	2GHz	1.5GHz
采樣	40GS/s	5GS/s	5GS/s	2.5GS/s	10GS/s	5GS/s

本次校準将ISO7637-2的3b波形設置為約300V，通過微調，使1型示波器和衰減器（40dB）檢測的結果達到1.5V，并将其作為基準波形。（所有數據的3b輸出固定。）

使用衰減器和同軸電纜，用50Ω級觀測的結果如表2所示。以未使用衰減器觀測的50Ω級輸出波形為基準，使用1型校準無源探頭，通過該無源探頭和各示波器觀測的結果如表3所示。

表2 試驗結果（使用50Ω級觀測的結果）

名稱	1型	2-1型	2-2型	3型	4型	5型
波高值	1.50V	1.49V	1.52V	1.498V	1.499V	1.479V
與1型的差	─	-0.67%	1.33%	-0.13%	-0.07%	-1.40%

※最大值是2-2型，最小值是5型。

表3 試驗結果（使用通過1型校正的探頭，用其他示波器觀測的結果）

名稱	1型	2-1型	2-2型	3型	4型	5型
波高值	※150.76V	147V	150V	116.6V	134.1V	137.6V
與1型的差	─	-2.49%	-0.50%	-22.66%	-11.05%	-8.73%
與50Ω級的差	0.51%	-1.34%	-1.32%	-22.16%	-10.54%	-6.96%

※即便按照150V進行調整，也不一定用150V觀測。
※最大值是校正後的1型，差分0.76V是測量誤差。另外，最小值是3型的116.6V。

從表2的結果可知，使用50Ω級觀測時，最高為1.52V，最低為1.479V，相對于1.5V的觀測值，得到的結果約±1.5％。如果在此檢測範圍内，則為測量誤差。

但是，使用表3的無源探頭進行觀測時，觀測結果可以看到很大差異。最大差異高達了20％以上，所以得出“和測試表的數值不一緻”的結論。

圖1是3型的觀測結果波形（示意圖）。峰值高的是使用50Ω級的觀測結果，峰值低的是使用無源探頭的觀測結果。兩者存在20％以上的差異。

觀測結果不一緻的原因是？

在本次比較的示波器中，頻帶寬度最小，采樣數最少的3型的觀測結果最低。這種規格的差異會對觀測結果造成影響嗎？

如上所述，頻帶寬度大，采樣數多的示波器适合高速脈沖觀測，而和規格方面相差不大的1型相比，使用4型和5型無源探頭進行觀測的結果大概低10％左右。（和使用50Ω級觀測的檢測結果相比，探頭的檢測結果同樣也低。）

那麼，對波形觀測的峰值檢測造成影響的因素到底是什麼呢？

表4是在表1的基礎上增加了示波器輸入容量的參數。通過該表可知，輸入容量大的示波器具有觀測結果更低的傾向。

表4 示波器的輸入容量與輸出波形的差異

名稱	1型	2-1型	2-2型	3型	4型	5型
頻帶寬度	2.5GHz	500MHz	500MHz	500MHz	2GHz	1.5GHz
采樣	40GS/s	5GS/s	5GS/s	2.5GS/s	10GS/s	5GS/s
輸入容量	10〜15pF	10〜15pF	10〜15pF	20pF左右	15pF左右	15pF左右
與1型的差	─	-2.49%	-0.50%	-22.66%	-11.05%	-8.73%
與50Ω級的差	0.51%	-1.34%	-1.32%	-22.16%	-10.54%	-6.96%

采用發生器和探頭的常數固定，使示波器的輸入容量變化的簡易電路結構時的電路模拟器波形如圖5所示。

通過該圖可知，示波器的輸入容量稍有改變，峰值電壓就會不同。

結語

針對可能招緻的誤解，認為“是否輸入容量大的示波器不适合檢測高速脈沖呢？”，我先強調一下結論：這種情況不存在。

隻要将示波器和無源探頭組合起來校準，波形觀測完全沒有問題。

表5 示波器與探頭組合起來進行校正的結果（3〜5型）

名稱		3型	4型	5型
波高值	使用50Ω級觀測	1.502V	1.487V	1.48V
	使用無源探頭觀測	149.75V	149V	148.4V
與50Ω級的差		-0.30%	0.20%	-0.27%

在本次測試中，本公司擁有的示波器輸入容量略小，是将該示波器作為基準使用的。如果将輸入容量大的示波器作為基準，則使用輸入容量小的示波器觀測波形時，觀測到的峰值就會變大，在此情況下，便會出現相反的疑問：“容量小的示波器是否不能使用啊？”

綜上所述，我希望大家能夠理解，并不是使用校準過的探頭就一定能夠進行正确地檢測。