将测量与模拟相关联

您是使用示波器来验证设计的运行情况，还是仅仅相信您的仿真？作为一名尽职尽责的工程师，您可能会探测 DUT 并在示波器上查看波形数据。您还相信您拥有准确的设备或组件级原理图模型，也许是 SPICE 模型。您在模型中的测试点 (TP) 模拟行为，结果与示波器上显示的不完全匹配。您的模型是否正确，或者测量系统（包括探头和示波器）是否至少部分归咎于此？

您可能还会注意到，当您探测 TP 时，您的电路行为会发生变化。在某些情况下，情况会变得更糟，或者在其他情况下会变得更好。不管怎样，模拟和测量结果不一致，你被卡住了。您如何解释（或更好地模拟）为什么会发生这种情况？

一种选择是获得示波器探头的模型并将该模型插入到您的仿真中。您可以从制造商处获得此模型，也可以自己测量。虽然这可以帮助您了解与加载相关的 DUT 行为变化，但它并没有填补所有缺失的部分。那是因为您错过了从探头到显示器的完整示波器系统响应。

在本文中，我们将介绍一个更具包容性的模型以及示例，这些示例将为您提供一些有用的工具来缩小模拟和测量之间的差距。所有探头和系统建模都将使用Touchstone S 参数文件完成。建模需要一个能够合并 S 参数文件的仿真环境，包括 2 端口和 3 端口模型，其中有几个可用。

全貌 
在仿真中使用探针模型的一个问题是，无论模型有多好，它都无法告诉您全貌。您在模拟探头输出中看到的忽略了示波器响应，重要的是，它的 DSP 校正滤波器。示波器中的 DSP 校正旨在平坦化（有时称为“归一化”或“均衡化”）特定 DUT 阻抗的总测量系统响应。通常但并非总是如此，这是随频率变化的恒定实阻抗，通常为 50 Ω 单端阻抗或 100 Ω 差分阻抗。该阻抗可能无法描述您的电路。

我们需要的是一个完整的模型，它结合了探头的行为、示波器的模拟响应和 DSP 校正滤波器——所有这些听起来工作量很大。幸运的是，有一种更简单的方法可以获得整个探头和示波器系统的准确模型，利用 DSP 滤波器生成过程在从理想的 50 Ω 或 100 Ω 源驱动时产生已知的整体系统频率响应这一事实。

在本文的其余部分，我将使用所谓的探头/示波器/DSP (PSD) 模型以及该模型的实际应用示例。如果您想为您的示波器和探头生成一个类似的模型（假设您有一个您希望测试并与仿真进行比较的电路），边栏“生成 PSD 模型”（第 3 页）显示了如何使用泰克示波器上的适当数据文件、标称系统带宽响应和MATLAB 脚本。注意：其他示波器制造商也为其更高性能的示波器和探头提供 S 参数 (DSP) 校正。

测试设置 
在我们的示例中被测试的 DUT 是一个测试夹具。图 1 显示了未加载（左）和加载（右）的测试夹具。它是一个对称夹具，具有连接到 VNA（矢量网络分析仪）的 2.92 毫米输入和输出连接器。夹具在其中心测试点接受探针的浏览器。该夹具是单端的，具有接地的共面传输线。只需将一个浏览器输入引脚放在中心测试点上，将另一个输入引脚放在相邻的夹具接地点上即可进行测量。该夹具也可以与焊头一起使用，并会产生类似的结果。

图 1. 将探针放置在测试图上（右）加载它。左图显示夹具已卸载。

图 2 是 PSD 系统模型的差分响应示意图。显示直接从示波器硬盘驱动器上包含的去嵌入文件获得的相应纯探头模型，以供比较。

图2. 您可以使用此电路评估 PSD 系统模式的差分响应，并将其与仅探头模型进行比较。

图 3 显示了这些原理图的仿真结果。图表上的粉红色线表示探头及其点测器的模拟响应。PSD 系统模型使用 MATLAB 脚本将探头的模拟直通响应转换为以黑色显示的平滑的 20 GHz 系统响应。这完全重现了示波器/探头 DSP 软件所做的事情：修正整体系统响应，使其在从 100 Ω 差分源驱动时匹配“理想的”20 GHz 目标响应。

图 3. PSD 系统模型与浏览器仅探测模型相比的不同响应。

与两个模型不同的直通响应相比，两个模型的输入回波损耗是相同的。在这种情况下，将模型从仅探头扩展到更具包容性的 PSD 系统模型不会改变系统的输入阻抗。这种情况是使用包含有源缓冲器的探测系统的结果，该缓冲器将探头电路与任何下游连接的影响隔离开来，例如将探头输出电缆连接到示波器。因此，示波器（PSD 系统中的“S”）对探测 DUT 引入的总负载的影响可以忽略不计。当然，DSP（PSD 中的“D”）对输入负载没有影响。S 和 D 参数将影响 THRU 响应。

图 4 是我们试图完成的任务：使用 PSD 模型预测探头负载对 DUT 的影响，并在示波器屏幕或示波器内存中模拟预期波形。图 4 显示了本文中使用的 DUT/夹具模型。夹具表示为串联的两个半夹具模型，因此探测点位于两个模型的交界处。这些模型源自使用夹具拆分方法的夹具 S 参数测量，这超出了本文的范围。

图 4. 使用此电路评估 PSD 模型在夹具中点的响应，并将其与模拟的加载和卸载的实际夹具行为进行比较。

在此以及随后的仿真中，压控电压源 (VCVS) 被用作“虚拟理想探头”以在不添加任何负载的情况下检查某一点的仿真波形。当然，这些类型的探针只存在于模拟中，因为所有真实的探针都有一些有限的加载效应。这显示在图 4 的其他两个子电路中，其中 DUT 测试点加载了图 2 前面所示的 PSD 和仅探头模型。然而，这，这些模型用于单端配置，其中探头的一个输入连接到 DUT 探测点，另一个输入接地。我们可以使用单端探头，因为本文使用的 DUT 夹具是单端迹线。以这种方式使用差分探头测量单端 DUT 也是一种常见做法。