测试探头地线长度对测量的影响

falcon_ljc

               说到使用示波器，很多人都会对机器的带宽、采样率和波形捕获率等参数有兴趣，却很少有人关注探头上的地线。在国企工作的几年让我看到即便是老资格的工程师都不会关注探头地线，他们为了测试方便甚至会在板的地上焊出一条十多厘米长的导线，再将探头的地线夹子夹在导线上再进行测量，那实际上地线的长度对测试具体有多大影响，今天下班前我专门测试了一下，真是不测不知道，一测吓一跳。下面有测试得出的图片,供大家参考。
         测试的振荡源是一个贴片的54M有源振荡器，为使输出的阻抗更接近实际电路，我在输出端串联了一个100欧的电阻，事实上大部分待测电路的内阻都远比这个大。测试用的示波器是Agilent DSOX3024，探头是随机配送的300M无源探头。
         先来一张用一台高带宽示波器加高带宽有源探头和1CM超短地线测出的结果，这套测试器材的综合带宽比待测信号频率高出几十倍，所以基本可以认为测出波形就是待测电路的实际信号波形，这个结果可以作为其它测试的参考基准。
           

          这张是主要测试器材图片，包括示波器，已经拆掉地线引线的探头（即下面说的0 CM地线长度）和待测板。
             

          这张是0 CM 地线长度时测出的波形图。

        从0 CM地线长度图片可见，虽然信号波形与基准相比有明显的电容充放电影响（这主要是无源探头的电容引致），上升下降时间也有延长（这主要受探头和机器带宽限制），但是波形的形状和过冲还是比较理想的,信号幅度也符合实际；

          这张是8.5CM 地线长度时测出的波形图，这个长度相当于大部分无源探头原配的地线长度。

            8.5CM地线长度图片可见,信号的波形已经有明显畸变,上升下降时间明显延长，过冲也比较明显，信号幅度已经有较大误差，不过还算能看出是方波。

          这张是地线长度延长至17CM时测出的波形图，这个长度相当于上文提到的很多人为方便测试特意加长地线后的结果。

            17CM地线长度图片可见,信号的波形畸变到接近正弦波,上升下降时间进一步延长，过冲也更加明显，信号幅度误差加剧，已经基本看不出原来波形。

          这张是地线长度延长至35CM时测出的波形图，一般地线不会这么长，这仅仅为测试而设。

       这个没什么好说了，除了频率基本找不到和待测信号的关系了。

结论：  地线长度对测试的影响是非常巨大，缩短地线长度甚至比寻找更高带宽的机器更加重要，而且这样做还不必花费1分钱。相反地，如果不注意缩短地线长度，即使用最好的机器也是浪费。在测试中还可以见到，即便是探头原配的地线往往也是过长的，只有进一步缩短，才能看到更真实的波形。
      

大大大老虎

优秀文章

zjinkui

[s:26]  40GS/s的tek

chinalh

地线长度太短实在是不方便测量，尤其是维修工作中。

xauser

好文，谢谢楼主！

tellalie

像测试开关电源输出的波纹，就要地线越短越好，这时候就要是测试交流成分，还要进行带宽限制在20MHZ，采用AC耦合

flysel

这个情况agilent的一部份文档都提及过.曾经看到过一篇有源晶振的测量文章,除了电阻还需要增加一个电容,可以去百度文库找找看.是厂家为了解释客户认为有源晶振的过冲造成器件损坏而搞出来的准确测量高频有源晶振资料.

simd126

我用10MM2,15CM长的多股线做地线的.

longshort

对于1:1的探头和不太高的频率，可以直接接线，这是我的三种自制“探头”：
接线端子探头：



排针用探头：



接线柱用探头：

longshort

这是将探头短接形成拾波环，地线直接就成了天线：



离开电路5cm时捡拾到的波形，x=5us/div，y=5mV/div：

永恒维修

对一些电路的高精度测量 ，地线长度不容忽视呀。

falcon_ljc

longshort:对于1:1的探头和不太高的频率，可以直接接线，这是我的三种自制“探头”：
接线端子探头：



....... (2013-04-07  07:48) 

1x探头或者自己用线做探头性能都不好，对于我一般都不会这样做，当然探测一兆以下的信号应该还是可以的。值得注意的是这时信号是直通机器的，没有了探头内部电阻保护对于某些可设内部50欧的示波器一旦弄错档位容易烧机。至于地线做接收信号环的方法是妙用，做射频卡项目时也用过。

lzqing

鼓励共享!
另外，有几点疑问：
1. 参考用的高端示波器输入阻抗设置是50欧姆，DSOX3024测试时（包括无源探棒）输入阻抗应该是兆欧级；
2. 取样模式应该都设置成峰值取样；
3. 无源探头的端口处有补偿电容是否已经微调好。

falcon_ljc

lzqing:鼓励共享!
另外，有几点疑问：
1. 参考用的高端示波器输入阻抗设置是50欧姆，DSOX3024测试时（包括无源探棒）输入阻抗应该是兆欧级；
2. 取样模式应该都设置成峰值取样；
3. 无源探头的端口处有补偿电容是否已经微调好。
....... (2013-04-07  09:41)

1. 参考机使用的是有源探头，这种探头是1M输入的，经放大后整理为50欧输出，示波器认到探头后自动设为50欧输入。3024A使用的是无源探头是10M输入的。对于这个待测信号，1M输入和10M输入基本无差异。
2.取样方式未有设为峰值取样，不过机器带类似数字荧光功能应该也能抓到真实波形。
3. 探头补偿是调整好的。

谢谢版主提醒。

shunzi3

毫无疑问，测试中探头地线引入的噪声确实会影响结果，但同LS有一样的疑问，还望LZ解释下！

yu2007

falcon_ljc:1. 参考机使用的是有源探头，这种探头是1M输入的，经放大后整理为50欧输出，示波器认到探头后自动设为50欧输入。3024A使用的是无源探头是10M输入的。对于这个待测信号，1M输入和10M输入基本无差异。
2.取样方式未有设为峰值取样，不过机器带类似数字荧光功能应该也能抓到真实波形 .. (2013-04-07  10:27) 

测试的示波器的带宽只有200M。而探头是300M的无源，算下来总的带宽没有200M吧。而且你测试的是一个54M的方波。测这类信号的话我觉得用差分有源是比较合适的，对无源的太过要求了。
当然。你的这个测试可以说明地线的重要性。我们很多做开发的，确实要重视这一点。

lzqing

从楼主的实验结果来看，从地线长短对斜率以及过冲的影响这方面来考虑的话，这个可以归咎于阻抗匹配的问题，主要是反射和延时的影响；
对于常规用于电源纹波分析的时候，还需要考虑另外一个影响，就是接地线对寄生毛刺的影响，示波器如果没有峰值检测，那么许多毛刺都看不到；另外，余辉则加强查看间歇性或突发的异常信号的能力。

falcon_ljc

yu2007:测试的示波器的带宽只有200M。而探头是300M的无源，算下来总的带宽没有200M吧。而且你测试的是一个54M的方波。测这类信号的话我觉得用差分有源是比较合适的，对无源的太过要求了。
当然。你的这个测试可以说明地线的重要性。我们很多做开发的，确实要重视这一点。 (2013-04-07  10:44)

其实只使用单端有源就已经比较理想了，参考用的波形就是用这种探头测出来的。这款示波器有比较充足的带宽设计余量（之前测试出的这台机在大信号时实际带宽为279M），所以经过计算后可得系统的总带宽大概为204M。当然按照通常认为比较理想的5次谐波频率要求来说200M的带宽对测54M方波信号确实仍不算特别充足，不过这也是大部分工程师会使用到的设备级别了。

falcon_ljc

lzqing:从楼主的实验结果来看，从地线长短对斜率以及过冲的影响这方面来考虑的话，这个可以归咎于阻抗匹配的问题，主要是反射和延时的影响；
对于常规用于电源纹波分析的时候，还需要考虑另外一个影响，就是接地线对寄生毛刺的影响，示波器如果没有峰值检测，那么许多毛刺都看不到；另外 .. (2013-04-07  10:54)

同意版主意见。