如何抑制示波器和探头过冲和振铃?

示波器探头是示波器外部的电路器件，其作用是从被测电路中探测信号，当探头接入被测电路后，探头会成为测试电路的一部分，而探头和示波器相连接，探头又会成为示波器测量系统的一部分。所以探头的电路设计非常重要。由于探头中存在分布电容和分布电感，尤其在进行高频信号测量的时候会使信号的频率特性变差。

示波器探头和探头附件

过冲的定义

信号在传输的过程中，往往不是标准的矩形波信号，尤其在高速信号中，保证信号的完整性是十分重要的，影响信号完整性最主要的因素之一，就是阻抗不区配，通常表现在传输线上，而阻抗不区配直接导致信号的反射，反射信号与原始信号叠加，就会产生过冲、回沟、台阶等信号完整性问题。

什么是过冲 (Overshoot) ?

过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。过冲的影响，主要考虑：过冲的最大幅值、过冲的持续时间、过冲的发生频率这三个要素。

过冲是大边沿转换后的失真，以幅度的百分比表示。X光标显示正在测量的边沿（距触发参考点最近的边沿）。

图1 过冲是大边沿转换后的失真，以幅度的百分比表示

图2 带有过冲和振铃的重复数字脉冲

示波器自动过冲测量

什么是下冲 (Undershoot) ?

下冲是指下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误(误作)。

什么是前冲 (Preshoot)?

前冲是大边沿转换之前的失真，以幅度的百分比表示。X 光标显示正在测量的边沿（距触发参考点最近的边沿）

什么是振铃？

振铃是指当电路中存在反馈环路时，由于信号幅度过大或相位差不当而产生的高频波动。这种波动会导致输出信号的振荡和失真，从而影响电路的正常工作。

与过冲非常相关的是振铃，它紧随过冲发生，信号会跌落到低于稳态值，然后可能会反弹到高于稳态，这个过程可能持续一段时间，直到稳定接近于稳态。振铃持续的时间也叫做安定时间。过冲是振铃的一部分，信号电平发生跳变后，第一个峰值电压或谷值电/压超过设定的标准电压，主要表现为一个尖端豚冲。

过冲和振铃的危害

1、当过冲幅值较大或持续时间较长时，可能回导致电路元器件的失效;

2、振铃产生的电压波动，可能回多次跨越逻辑电平的电压國值，造成接收端的误判

如何消除示波器探头所产生的过冲和振铃现?

下面我们介紹消除示波器探头所产生的过冲和振铃解决方案。

如何消除示波器探头所产生的过冲和振铃现象，抑制示波器测试系统自身产生谐振对于真实电路测量的影响？

所有的LC电路都可能会产生谐振，示波器探头也是LC电路，在使用过程中，要避免示波器探头自身带来的谐振现象产生振铃, 从而影响对于信号的真实测量。

随着设计电路中信号工作频率越来越高，连接示波器探头时，就需要更加关注过冲和振铃问题。如果在所用探头的带宽范围内发生谐振，就很难断定测量干扰是来自电路，还是来自测量探头，影响结果的测试真实性。

图3 示波器探头阻抗模型

首先来认识以下示波器探头阻抗模型，从图3可以看出探头是一个串联谐振电路。

对于串联谐振电路，当达到谐振频率点时，系统阻抗降低为最小，引起电压的剧烈变化从而产生过冲或振铃现象。如图4：

图4 过冲或振铃现象

示波器和探头测试，要如何抑制过冲和振铃，先了解几个概念和公式：

谐振指的是电路中的感应电抗和电容电抗在特定频率处相互抵消，这个特定频率就叫做“谐振频率”。电感器电抗和电容器电抗的值在谐振频率处变为相等，两者相互抵消，最终相加之和为零。因此 2πfL=1/2πfC

谐振频率计算公式：

谐振强度可通过指数Q（质量因子）来表示。Q越高表示谐振越强。

对于串联谐振电路来说 Q=2πfL/R ，f是谐振频率，进一步推导可以得出Q的公式：

由公式看出，抑制探头自身产生过冲和振铃的方法：

1. 根据谐振频率计算公式可以看到，减小电感，提高谐振频率，谐振频率移至示波器和探头带宽之外，从而尽量减少对测量的影响。参考图3探头阻抗结构图，在测试时尽量减少测试引线和接地线长度从而降低电感。（每英寸电线会产生高达 25-nH的电感到探头等效电路中。）

2. 降低谐振强度Q，根据Q的计算公式，可以增大R，引入阻尼电阻来降低谐振强度,抑制测试系统中产生过冲和振铃。是德科技InfiniiMax系列探头都标配前端阻尼电阻降低谐振强度,确保信号测试真实性。

关于阻尼谐振

探头性能受到探头连接的高度影响。由于设计中信号速度的提升，您在连接示波器探头时可能会发现更多过冲、振荡和其他扰动。探头会在与器件的连接位置形成一个谐振电路。如果谐振位于示波器探头带宽内，确定测量扰动源于电路或是探头将变得十分困难。如果您必须在探针上添加电线以便在狭窄的环境中进行测量，可在探针上放置一个电阻器以阻尼添加电线的谐振。

对于单端探头来说，应将电阻放在信号引线上，并尽量保持接地引线短路。对于差分探头来说，可将电阻器放置在引线尖上，并保持引线长度相同。电阻器的值可通过先探测一个已知步进信号通过夹具电路板（如E2655B 探头偏移校正和性能验证套件）进入示波器通道的信号值来确定。然后再探测线尖上装有电阻器的电线信号。当电阻器的值恰当时，除非信号经过了低通滤波，否则您应看到和测试步进相似的步进形状。如果您看到过量振铃，请增加电阻器值。

图 6. 在探针上放置一个电阻器来阻尼添加电线的谐振

图 7. 通过对探头输入进行恰当阻尼，负载 / 输入阻抗将永远不会低于阻尼电阻器的值

图 8. 随着设计速度的增加，您可能会看到更多的过冲、振铃和其他扰动问题。通过在探针上添加阻尼电阻器可以克服由探头连接形成的谐振

图 9.InfiniiMode N2750A 系列、1156A-58A 系列和 InfiniiMax 系列探头圴使用这种阻尼附件技术来达到最佳且灵活的性

探头的阻尼附件提供了一种灵活的使用模型，在其规定带宽内可以维持低输入电容和电感以及平坦的频率响应。 KEYSIGHT InfiniiMode N2750A有源差分探头 系列、1156A-58A 系列和 InfiniiMax 系列探头圴使用这种阻尼附件技术来达到最佳且灵活的性能。

改锥用来调节N2873A无源探头的可变电容，大多数示波器都有可以用于校准或参考的方波输出，探测这个连接，检查波形是否为方形。根据需要调整可变电容，以消除所有下冲或过冲。

N2873A无源探头

技巧 - 使用双探头检查探头负载

图 10：使用双探头检查探头负载

高阻抗无源探头和有源探头比较

表1. 高阻抗无源探头和有源探头比较

探测电路之前，先将一个探针连接到电路上的一点，然后再将第二个探头连接到同一点。在理想状况下，您应看到信号无任何变化。如果信号产生变化，这个变化是由探头负载引起的。

在理想状况下，示波器采用无扰线（具有无限的输入电阻、零电容和零电感）连接到被测电路，它能对被测信号进行精确复制。但在现实世界中，探头是测量的一部分，它会向电路加载负载。

如欲检查探头的负载效应，首先要将探头连接到被测电路或一个已知的步进信号，另一端连接到示波器的输入端。在示波器显示屏上观察此迹线，然后保存，再在显示屏上调用以使迹线保留在显示屏上进行比较。稍后，将相同类型的另一个探头连接到同一探测点，观察在使用两个探头进行探测时原始迹线有何变化。

为了更好地进行探测，您可能需要对探测进行调整，或者使用较低负载的探头。例如本例中，缩短接地引线就能起到好的效果。在图 11-1 中，电路接地采用 18 cm （7 英寸）长的接地引线。

图 11-1. 由长接地引线引起的探头负载

图 11-2. 使用短接地引线降低探头负载

在图 11-2 中，同一信号接地采用弹簧接地引线。在使用较短的接地引线后，探测信号（紫色迹线）的振铃就消失了。