波形和测试表的数值不同

我主要负责车载用设备的瞬态浪涌测试仪等产品。曾经收到过客户的咨询内容如下：“这次我们采购了菊水的产品，贵公司说波形观测需要使用1/100的探头，所以我们也一起买了。但实际进行波形观测后发现，和测试表的数值不同。这是怎么回事呢？”。了解详细情况后发现，示波器的设置，外围环境^※1的准备都不存在问题，而且1/100的探头也没有动过，还是刚购买时的样子。

一般来说，探头需要连接使用的示波器，进行整体校准（调整）。这是确认“探头是否损坏？是否能正确观测？”所必须要做的工作^※2。话虽如此，如果所观测的波形是ms以上（有时可能是μs以上）的动作，或者只是单纯地确认high／Low的水平，绝大部分情况下使用未做调整的探头也是没有问题的。

但是，当使用无源探头观测“ns”〜“μs”的上升沿，或是宽度高速变化的波形时，则必“正确”调整探头。

※1 有些机型的示波器需要使用隔离变压器进行保护。
※2 关于探头校准的见解，请向各生产厂商咨询。

出现问题的原因几乎都是没有调整好

测量上升时间和脉冲宽度为纳秒级的高速脉冲时，需要准备频带宽度大，采样数多的示波器。如果观测对象设备的输出阻抗是50Ω级的同轴结构，则通过使用同轴型的衰减器和同轴电缆，可以将示波器和脉冲发生器直接连接起来^※3。使用这种观测方法，可在低损耗，低延时的状态下观测对象波形。

一般来说，被称为浪涌发生器的设备规格由国际标准，地区标准，厂家标准等决定，几乎所有的浪涌发生器都不是同轴结构的50Ω级输出。因为端子形状不是同轴结构的50Ω级，所以波形观测需要使用差分探头和无源探头。在使用差分探头和无源探头的观测方法中，可能无法观测到与测试仪的校准数据（测试表的数据）相同的数值。“与观测结果不同”的咨询内容几乎都是包含这种“ns”〜“μs”的上升沿和脉冲宽度的波形，由于没有调整好，导致观测结果出现差异^※4。

使用差分探头进行波形观测时的咨询案例主要包括：

• 示波器和探头都是菊水的推荐产品，但无法观测到正确的波形

• 探头是请菊水校准过的，但观测结果不一致。

• 改成了相同频带宽度的示波器，但观测结果完全不同。

等等。

※3 示波器需要使用50Ω进行终端连接。
※4 仅限咨询菊水公司生产的测试仪。

对这种显而易见的结论感到很过意不去

针对上述咨询的回答内容如下。

Ｑ：示波器和探头都是菊水的推荐产品，但无法观测到正确的波形。

─A：需要将示波器和探头组合起来进行校准。

Ｑ：探头是请菊水校准过的，但观测结果不一致。

─A：如果只校准探头，观测结果会因示波器的不同而异。（如果不和示波器组合起来调整，观测结果会不一致，这个情况已经事先告知了。）

Ｑ：改成了相同频带宽度的示波器，但观测结果完全不同。

─A：即使频带宽度和采样数相同，如果输入容量不同，观测结果也会不一致（即使使用相同型号的示波器进行观测，由于输入容量存在个体差异，也不会得到相同的结果）。

示波器的使用方法是电气检测的基础，几乎所有人在初学阶段都接受了相关指导。对于专家级工程师来说，这是使用营销工具的基础，属于一般性的“常识”，而对于缺乏经验的新手，或只是偶尔使用示波器的人来说，探头的调整和校准这种最为关键的工作往往会意外地忘掉（或者容易理解错误）。
因此，为了确保观测波形的正确性，将示波器和探头组合起来进行校准是非常重要的。就是这么一个显而易见的故事。

如果写到这里就结束会有些无聊，所以我再向大家讲一个比较测试的情况，详见下页。庆幸的是，本公司有很多高压脉冲发生器以及各种型号的示波器。将这些设备作为验证材料，看一下究竟会有多大差异。这个验证测试的结果基本上可以想象出来，但是我想应该很少有人会去做这样的事情，所以这种测试还是比较少见的（笑）。如果能成为大家谈论的话题，我将不胜荣幸。

首先校准探头

刚才已经说过，使用示波器和探头进行数据观测时，需要校准探头，而校准探头使用的是示波器CAL端子的矩形波脉冲波形^※5。该示波器的CAL端子只能输出几伏（最高约5V）电压。由于瞬态浪涌波形会输出几十伏至几百伏脉冲，因此观测所需的无源探头的衰减率为1/100或1/1000。这种衰减率的探头即使连接到示波器的CAL端子上，也几乎没有振幅。校准1/100和1/1000探头时，需要使用高压矩形波脉冲发生器。但高压（矩形波）脉冲发生器价格非常昂贵且难以获得，因此在本次测试中，我们使用更加直接的ISO7637-2标准测试仪的3b波形来校准1/100差分探头（无源探头）^※6。

※5 “CAL端子”的名称因示波器厂商不同而异。
※6 校准方法的详情和注意事项在此省略。

本公司的ISO7637-2标准检测仪“KES7700系统”的3b输出采用50Ω级的同轴结构。该结构可使用衰减器等直接连接示波器，在低损耗，低延时的状态下观测输出波形。此外，使用无源探头检测时，通过使用将探头前端变更为BNC型转换适配器，可减轻对探头检测有很大影响的“接地线走线”的影响。输出为300V（50Ω终端连接时为150V），可以获得足够振幅，适合用于比较本次测试所需的检测仪之间的差异^※7。

※7 ISO7637-2的3b波形只用于校准峰值部分。DC水平的调整使用函数信号发生器等。

使用各种示波器观测ISO7637-2的3b波形的结果

在本次测试中使用的示波器规格如表1所示。顺便说一下，在ISO7637-2标准中要求示波器的频带宽度应达到400MHz以上，全部示波器均满足该要求规格。

表1 试验使用的示波器

名称	1型	2-1型	2-2型	3型	4型	5型
频带宽度	2.5GHz	500MHz	500MHz	500MHz	2GHz	1.5GHz
采样	40GS/s	5GS/s	5GS/s	2.5GS/s	10GS/s	5GS/s

本次校准将ISO7637-2的3b波形设置为约300V，通过微调，使1型示波器和衰减器（40dB）检测的结果达到1.5V，并将其作为基准波形。（所有数据的3b输出固定。）

使用衰减器和同轴电缆，用50Ω级观测的结果如表2所示。以未使用衰减器观测的50Ω级输出波形为基准，使用1型校准无源探头，通过该无源探头和各示波器观测的结果如表3所示。

表2 试验结果（使用50Ω级观测的结果）

名称	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
与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 试验结果（使用通过1型校正的探头，用其他示波器观测的结果）

名称	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
与1型的差	─	-2.49%	-0.50%	-22.66%	-11.05%	-8.73%
与50Ω级的差	0.51%	-1.34%	-1.32%	-22.16%	-10.54%	-6.96%

※即便按照150V进行调整，也不一定用150V观测。
※最大值是校正后的1型，差分0.76V是测量误差。另外，最小值是3型的116.6V。

从表2的结果可知，使用50Ω级观测时，最高为1.52V，最低为1.479V，相对于1.5V的观测值，得到的结果约±1.5％。如果在此检测范围内，则为测量误差。

但是，使用表3的无源探头进行观测时，观测结果可以看到很大差异。最大差异高达了20％以上，所以得出“和测试表的数值不一致”的结论。

图1是3型的观测结果波形（示意图）。峰值高的是使用50Ω级的观测结果，峰值低的是使用无源探头的观测结果。两者存在20％以上的差异。

观测结果不一致的原因是？

在本次比较的示波器中，频带宽度最小，采样数最少的3型的观测结果最低。这种规格的差异会对观测结果造成影响吗？

如上所述，频带宽度大，采样数多的示波器适合高速脉冲观测，而和规格方面相差不大的1型相比，使用4型和5型无源探头进行观测的结果大概低10％左右。（和使用50Ω级观测的检测结果相比，探头的检测结果同样也低。）

那么，对波形观测的峰值检测造成影响的因素到底是什么呢？

表4是在表1的基础上增加了示波器输入容量的参数。通过该表可知，输入容量大的示波器具有观测结果更低的倾向。

表4 示波器的输入容量与输出波形的差异

名称	1型	2-1型	2-2型	3型	4型	5型
频带宽度	2.5GHz	500MHz	500MHz	500MHz	2GHz	1.5GHz
采样	40GS/s	5GS/s	5GS/s	2.5GS/s	10GS/s	5GS/s
输入容量	10〜15pF	10〜15pF	10〜15pF	20pF左右	15pF左右	15pF左右
与1型的差	─	-2.49%	-0.50%	-22.66%	-11.05%	-8.73%
与50Ω级的差	0.51%	-1.34%	-1.32%	-22.16%	-10.54%	-6.96%

采用发生器和探头的常数固定，使示波器的输入容量变化的简易电路结构时的电路模拟器波形如图5所示。

通过该图可知，示波器的输入容量稍有改变，峰值电压就会不同。

结语

针对可能招致的误解，认为“是否输入容量大的示波器不适合检测高速脉冲呢？”，我先强调一下结论：这种情况不存在。

只要将示波器和无源探头组合起来校准，波形观测完全没有问题。

表5 示波器与探头组合起来进行校正的结果（3〜5型）

名称		3型	4型	5型
波高值	使用50Ω级观测	1.502V	1.487V	1.48V
	使用无源探头观测	149.75V	149V	148.4V
与50Ω级的差		-0.30%	0.20%	-0.27%

在本次测试中，本公司拥有的示波器输入容量略小，是将该示波器作为基准使用的。如果将输入容量大的示波器作为基准，则使用输入容量小的示波器观测波形时，观测到的峰值就会变大，在此情况下，便会出现相反的疑问：“容量小的示波器是否不能使用啊？”

综上所述，我希望大家能够理解，并不是使用校准过的探头就一定能够进行正确地检测。