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          示波器探頭選擇要素

          來源:深圳市深東金儀器有限公司   2016年10月11日 17:21  

          在為示波器應(yīng)用選擇合適的測量工具時(shí),往往事后才會(huì)想到探頭。許多工程師在選擇示波器時(shí),首要考慮的通常是帶寬、采樣率和通道數(shù)量需求,然后才是如何讓信號進(jìn)入示波器。
            但實(shí)際上,探頭的選擇也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。為您的應(yīng)用選擇合適的探頭以及如何使用探頭,是實(shí)現(xiàn)可靠的示波器測量*的步驟。本文為您介紹與探頭選擇相關(guān)的一些常見考慮因素,以及改善示波器探測的一些技巧。
            選擇無源探頭還是有源探頭?
            當(dāng)您購買中低檔示波器時(shí),通常每個(gè)示波器通道會(huì)標(biāo)配一個(gè)高阻抗無源探頭。相比有源探頭而言,無源探頭更堅(jiān)固、更便宜。示波器輸入端接 1 M? 的阻抗時(shí),它們能提供寬動(dòng)態(tài)范圍和超過 500 MHz 的帶寬。
            對于是否需要標(biāo)準(zhǔn)無源探頭以外的其他探頭,您可能會(huì)碰到一個(gè)難題。考慮到標(biāo)準(zhǔn)的無源探頭是針對大范圍探測連接而設(shè)計(jì)的通用工具,如果要測量具有快速上升/下降時(shí)間的高速信號,建議采用具有足夠帶寬的有源探頭。同樣,差分或電流信號的測量也采用有源差分或電流探頭。因此,可以考慮的或在小范圍內(nèi)有更好表現(xiàn)的有源探頭。如果按照設(shè)計(jì)的方式正確使用這些特殊探頭的話,每一根探頭都能達(dá)到*效果。
            單端、差分或多模
            示波器在測量信號時(shí)以一個(gè)公共參考點(diǎn)(即接地)作為基準(zhǔn)。使用示波器和標(biāo)準(zhǔn)單端探頭測得的信號,等于被測器件的特定點(diǎn)與接地之間的電勢差。
            如果您需要測量電路中不同元器件上的電壓,而這些元器件未與接地連接,那么您需要進(jìn)行差分測量。對此,您需要使用差分探頭。由于差分探頭內(nèi)的差分放大器會(huì)放大兩個(gè)探測點(diǎn)之間的信號差,因此,它會(huì)抑制兩點(diǎn)上共有的電壓,并將兩個(gè)點(diǎn)之間的電勢差提取到示波器的輸入。
            差分探頭是高帶寬示波器用戶的常用工具,但該探頭很難顯示組成差分信號的單獨(dú)分量。為了測量差分信號的單端和共模分量,用戶迫切需要一款具有高速數(shù)據(jù)信號測量功能的示波器探頭。新型多工作模式示波器探頭,例如是德科技的 InfiniiMode 差分探頭,提供了多種工作模式,可以通過單次連接來測量差分信號的單端、差分和共模性。
            帶寬
            示波器和探頭的帶寬被定義為幅度降低 3dB 時(shí)的頻率響應(yīng)。大多數(shù)帶寬指標(biāo)為 1 GHz 或更低的示波器或探頭通常具有所謂的高斯響應(yīng),在 -3dB 頻率約三分之一處開始呈現(xiàn)緩慢的滾降特性。帶寬指標(biāo)超過 1 GHz 的示波器通常具有zui平坦的頻率或磚墻響應(yīng),并在 -3dB 點(diǎn)附近具有更為陡峭的滾降特性。
            例如,如果您將具有相同帶寬頻率的正弦波放入探頭,那么,您從 1 V 峰-峰值正弦波得到的 -3dB 帶寬在探頭輸出端約為 0.7V 峰-峰值。因此,在 -3dB 點(diǎn),該正弦波的幅度測量有大約 30% 的誤差。
            根據(jù)經(jīng)驗(yàn),探頭(或示波器)帶寬應(yīng)大于或等于您系統(tǒng)上zui快信號帶寬的 3 倍到 5 倍,以免造成信號頻率分量的衰減。因此,您必須首先確定哪些是具體信號的zui快上升或下降時(shí)間,并從中推算出信號帶寬。如果您參考的是特定的通信標(biāo)準(zhǔn),那么您應(yīng)該能夠找到該標(biāo)準(zhǔn)對于zui快上升/下降時(shí)間做出的規(guī)定。確定zui快上升/下降時(shí)間之后,請使用以下公式,根據(jù)您所采用的閾值來確定信號的帶寬。對于 10% - 90% 的測量,
            
            高斯帶寬*TR = 0.35
            
            磚墻帶寬*TR = 0.4
            
            請記住,決定信號帶寬的不是時(shí)鐘頻率,而是上升時(shí)間或下降時(shí)間。而且,探頭附件往往會(huì)對整個(gè)帶寬造成很大影響,因此也應(yīng)當(dāng)對探頭附件加以考慮,以優(yōu)化探頭的帶寬。
            探頭負(fù)載
            當(dāng)您將示波器探頭與電路相連接時(shí),探頭成為被測電路的一部分,探頭的電氣特性會(huì)對整個(gè)測量系統(tǒng)的響應(yīng)和被測器件的操作帶來影響。探頭將電阻、電容和電感負(fù)載引入到被測器件。
            在探頭負(fù)載的這三個(gè)來源中,電容性負(fù)載往往zui麻煩,它會(huì)影響到帶寬、上升或下降時(shí)間和延遲。電容性負(fù)載通常會(huì)改變被測波形的形狀。
            這里有一個(gè)被測器件的圖表和與被測器件相連的探頭的簡化電氣模型。在理想情況下,V輸入(探頭輸入端的電壓)應(yīng)當(dāng)與 V 源(被測器件在探測之前的電壓)相同。在現(xiàn)實(shí)中,由于探頭與被測器件相連,被測器件和探頭的阻抗決定了探頭輸入端的電壓。這是一個(gè)簡單的電阻分壓器電路。
            
            在直流電路上,探頭的電阻決定了負(fù)載特性,而探頭的容抗對測量沒有幫助,因?yàn)橹绷鞯娜菘?Xc)是無限的。然而,隨著頻率升高,容抗變小,成為負(fù)載的主要來源,探頭從被測器件上汲取越來越多的能量。
            現(xiàn)代高帶寬探頭采用 DSP(數(shù)字信號處理)校正技術(shù),以確保平坦的頻率響應(yīng)特性。然而,探頭負(fù)載特性是以物理方式確定的,并且仍然影響被測器件的操作。大多數(shù)制造商會(huì)對探頭的輸入電阻和電容大小做出規(guī)定,這些值也決定了負(fù)載特性。示波器探頭校正濾波器可以調(diào)整頻率響應(yīng),使示波器屏幕上的波形看起來更加平坦,但即使校正探頭之后,實(shí)際探頭負(fù)載也還是會(huì)影響到測量性能。我們無法違抗物理定律。
            
            探頭噪聲
            
            許多工程師都關(guān)注探頭/示波器的固有噪聲對測量的影響。有多種因素會(huì)對測量的噪聲系數(shù)產(chǎn)生影響。不過,您要考慮的一個(gè)zui重要的特性是信噪比。通常,探頭的衰減比越小,會(huì)導(dǎo)致信噪比越高、噪聲越低,但同時(shí),它會(huì)帶來較低的輸入電阻、較低的動(dòng)態(tài)范圍和較低的共*圍等。這之間有一些權(quán)衡。評測探頭噪聲量的一種簡單方法是檢查衰減比和探頭數(shù)據(jù)表或手冊中規(guī)定的探頭的噪聲電平。
            在理解探頭噪聲特性時(shí),要注意的一個(gè)方面是,示波器探頭制造商的探頭噪聲通常為其 ein(等效輸入噪聲)。一些制造商通常將這個(gè)指標(biāo)稱為等效輸入噪聲的“XmVrms”。其他人將其稱為噪聲頻譜的“nV/rtHz”。通過代入探頭帶寬或使用這個(gè)公式,我們可以將一個(gè)數(shù)量轉(zhuǎn)換為另一個(gè)數(shù)量;噪聲頻譜=ein/sqrt(帶寬)。兩者都是以探頭輸入為基準(zhǔn)的探頭噪聲特性, 與示波器屏幕上顯示的值可能有所不同。
            測量系統(tǒng)由示波器和探頭組成,表征測量系統(tǒng)產(chǎn)生的基線噪聲,并驗(yàn)證所使用的工具適合于手頭的任務(wù)是一種很好的做法。首先,設(shè)置示波器和探頭,因?yàn)樗鼈儗⒏鶕?jù)電壓/格、時(shí)基和連接附件使用,然后短接輸入,并對基線噪聲進(jìn)行測量。如果基線噪聲的測得值高于您所期待的本底噪聲,那么您可能需要尋找符合您需求的另一個(gè)測量解決方案。
            
            探針附件
            
            測量系統(tǒng)的性能由其zui薄弱的環(huán)節(jié)決定。示波器或探頭的帶寬始終是關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo),但是,測量系統(tǒng)不只有示波器和探頭。
            事實(shí)上,示波器往往“不”是測量系統(tǒng)中zui薄弱的環(huán)節(jié)。測量系統(tǒng)還包括探頭、電纜、連接器和夾具。這些元素中的每一個(gè)都有可能比示波器帶來更大的帶寬損耗。而與探頭和探頭附件不一樣的是,電纜和連接器通常具有非常低的損耗。
            如果您看到高帶寬探頭在探針處具有比同類探頭明顯更長的輸入導(dǎo)線,就有理由懷疑其會(huì)造成頻率響應(yīng)變異和退化。一般情況下,探針的輸入線或?qū)Ь€越長,它對帶寬下降、負(fù)載增加的影響也就越大,造成非平坦的頻率響應(yīng),并導(dǎo)致在掃描帶寬和探頭連線以及環(huán)境發(fā)生改變時(shí)產(chǎn)生更多的變化。由于該系統(tǒng)的帶寬為 1 GHz 以上,在判定系統(tǒng)性能時(shí),探針效應(yīng)可能會(huì)發(fā)揮更重要的作用。探針處可能出現(xiàn)非常顯著的探頭偏差。如果可能的話,請保持探針引線盡可能小,并保持連接的環(huán)路面積盡可能小。而且,如果使用單端探頭的話,請保持低電感接地連接長度短、厚度大。
            
            探頭響應(yīng)校正
            
            對于高帶寬有源探頭而言,探頭響應(yīng)校正已變得日漸普遍。探頭zui常見的校正方法是直流調(diào)整,它又引起探頭的直流增益和偏置的調(diào)整。這種方法已用于大量的無源和有源探頭,以便對直流增益和偏置系數(shù)實(shí)施妥善補(bǔ)償。
            隨著示波器性能提升到幾 GHz 水平,直流校正方法不足以用于高頻響應(yīng)的表征和校正。交流校正是指隨著頻率變化的校正方案,旨在調(diào)整探頭的交流響應(yīng)特性,使之與理想探頭的特性一致,所具有的平坦頻率響應(yīng)達(dá)到其額定帶寬(-3dB 點(diǎn))。在探頭、探頭前端附件和示波器的發(fā)展過程中,制造商準(zhǔn)確地測量多個(gè)器件的 S 參數(shù),對其特性求平均值,并創(chuàng)建出代表常見探頭和示波器系統(tǒng)的校正過濾器。這種形式的校正使得標(biāo)稱校正的準(zhǔn)確度顯著提升,且不會(huì)給示波器用戶帶來其他任何不便。
            不過,關(guān)于探頭校正還有一個(gè)重要因素需要牢記在心。探頭校正方法對探頭標(biāo)準(zhǔn)配置和制造商所提供的探針附件加以校正。某些示波器用戶會(huì)打造自身的定制探針,或?qū)ζ湓O(shè)計(jì)目的進(jìn)行修改。探針的變化會(huì)使得探頭的特性發(fā)生急劇變化,不再能通過工廠校正來捕獲并校正。
            
            交流校正方法使平坦頻率響應(yīng)提高到探頭的額定帶寬
            
            *的技術(shù),使探頭系統(tǒng)朝著更高的性能發(fā)展,為用戶提供更多的選擇。如果探頭的設(shè)計(jì)不能用于建立具有良好信號完整性的連接,那么探針下游的昂貴設(shè)備也于事無補(bǔ)。這篇文章概要介紹了選擇和使用探頭的實(shí)際考量、克服測量挑戰(zhàn)以及驗(yàn)證探頭測量結(jié)果并樹立測量信心的方法。

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