硬件工程師基本功—示波器探頭

硬件工程師基本功—示波器探頭

示波器由于有探頭的存在而擴展了示波器的使用范圍，使得示波器可以在線測試和分析被測電子電路，如下圖：

圖1示波器探頭的作用

探頭的選擇和使用必要思索如下兩個方面：

其一：由于探頭有負載效應，探頭會直接影響被測信號和被測電路；

其二：探頭是整個示波器丈量體系的一局部，會直接影響儀器的信號保真度和測試后果

一、探頭的負載效應
當探頭探測到被測電路后，探頭成為了被測電路的一局部。探頭的負載效應包含底下3局部：
1. 阻性負載效應；
2. 容性負載效應；
3. 敏感負載效應。

圖2探頭的負載效應

阻性負載相當于在被測電路上并聯了一個電阻，對被測信號有分壓的作用，影響被測信號的幅度和直流偏置。偶爾，加上探頭時，有妨礙的電路約莫變得正常了。尋常保舉探頭的電阻R>10倍被測源電阻，以維持小于10%的幅度偏差。

圖3探頭的阻性負載

容性負載相當于在被測電路上并聯了一個電容，對被測信號有濾波的作用，影響被測信號的上升下降時間，影響傳輸延長，影響傳輸互連通道的帶寬。偶爾，加上探頭時，有妨礙的電路變得正常了，這個電容效應起到了緊張的作用。尋常保舉使用電容負載盡力小的探頭，以減小對被測信號邊沿的影響。

圖4探頭的容性負載

敏感負載泉源于探頭地線的電感效應，這地線電感會與容性負載和阻性負載構成諧振，從而使體現的信號上顯現振鈴。假如體現的信號上顯現分明的振鈴，必要反省確認是被測信號的真實特性照舊由于接地線惹起的振鈴，反省確認的辦法是使用盡力短的接地線。尋常保舉使用盡力短的地線，尋常地線電感=1nH/mm。

圖5探頭的敏感負載

二、探頭的典范
示波器探頭大的方面可以分為：無源探頭和有源探頭兩大類。無源有源望文生義就是需不必要給探頭供電。
無源探頭細分如下：
1. 低阻電阻分壓探頭；
2. 帶補償的高阻無源探頭（最常用的無源探頭）；
3. 高壓探頭

有源探頭細分如下：
1. 單端有源探頭；
2. 差分探頭；
3. 電流探頭

最常用的高阻無源探頭和有源探頭簡便比力如下：

表1有源探頭和無源探頭比力

低阻電阻分壓探頭具有較低的電容負載（<1pf)，較高的帶寬（>1.5GHz），較低的價格，但是電阻負載十分大，尋常僅有500ohm或1Kohm，以是只合適測試低源阻抗的電路，或只眷注時間參數測試的電路。

圖6低輸入電阻探頭布局

帶補償的高阻無源探頭是最常用的無源探頭，尋常示波器標配的探頭都是此類探頭。帶補償的高阻無源探頭具有較高的輸入電阻（尋常1Mohm以上），可調的補償電容，以婚配示波器的輸入，具有較高的動態范圍，可以測試較大幅度的信號（幾十幅以上），價格也較低。但是不知之處是輸入電容過大（尋常10pf以上），帶寬較低（尋常500MHz以內）。

圖7常用的無源探頭布局

帶補償的高阻無源探頭有一個補償電容，當接上示波器時，尋常必要調停電容值（必要使用探頭自帶的小螺絲刀來調停，調停時把探頭毗連到示波器補償輸入測試地點），以與示波器輸入電容婚配，以消弭低頻或高頻增益。下圖的右方是存在高頻或低頻增益，調停后的補償信號體現波形如下圖的右方所示。

圖8無源探頭的補償

高壓探頭是帶補償的無源探頭的基本上，增大輸入電阻，使得衰減加大（如：100:1或1000:1等)。由于必要使用耐高壓的元器件，以是高壓探頭尋常物理尺寸較大。

圖9高壓探頭的布局

三、有源探頭
我們先來察看一下用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測試1ns上升時間階躍信號的影響。使用脈沖產生器產生一個1ns的階躍信號，經過測試夾具后，使用SMA電纜直接毗連到一個1.5GHz帶寬的示波器上，如此示波器上會體現一個波形（如下圖中的蘭色信號），把這個波形存為參考波形。然后使用探頭點測測試夾具去探測被測信號，經過SMA直連的波形由于受探頭負載的影響而變成黃色的波形，探頭通道體現的是綠色的波形。然后分散測試上升時間，可以看出無源探頭和有源探頭對高速信號的影響。

圖10無源探頭和有源探頭對被測信號和丈量后果的影響

具體測試后果如下：
使用1165A 600MHz無源探頭，使用鱷魚嘴接地線：受探頭負載的影響，上升時間變為：1.9ns；探頭通道體現的波形存在振鈴，上升時間為：1.85ns;
使用1156A 1.5GHz有源探頭，使用5cm接地線：受探頭負載的影響較小，上升時間仍為：1ns；探頭通道體現的波形與原始信號一律，上升時間仍為：1ns。
單端有源探頭布局圖如下，使用擴大器完成阻抗變動的目標。單端有源探頭的輸入阻抗較高（尋常達100Kohm以上），而輸入電容較小（尋常小于1pf)，經過探頭擴大器后毗連到示波器，示波器必需使用50ohm輸入阻抗。有源探頭帶寬寬（如今可達30GHz），而負載小，但是價格相對較高（尋常每根探頭到達相反帶寬示波器價格的10%支配)，動態范圍較?。ㄟ@個必要注意，由于凌駕探頭動態范圍的信號，不克不及準確測試。尋常動態范圍5V支配），比力脆弱，使用需警惕。

圖11有源探頭布局

差分探頭布局圖如下，使用差分擴大器完成阻抗變動的目標。差分探頭的輸入阻抗較高（尋常達50Kohm以上），而輸入電容較小（尋常小于1pf)，經過差分探頭擴大器后毗連到示波器，示波器必需使用50ohm 輸入阻抗。差分探頭帶寬十分寬（如今可達30GHz），負載十分小，具有較高共?？酥票龋莾r格相對較高（尋常每根探頭到達相反帶寬示波器價格的10%支配)，動態范圍也較?。ㄟ@個必要注意，由于凌駕探頭動態范圍的信號，不克不及準確測試。尋常動態范圍3V支配），比力脆弱，使用需警惕。
差分探頭合適測試高速差分信號（測試時不必接地），合適擴大器測試，電源測試，合適虛地測試等使用。

圖12差分探頭布局

電流探頭也是有源探頭，使用霍爾傳感器和以為線圈完成直流和交換電流的丈量。電流探頭把電流信號轉換成電壓信號，示波器收羅電壓信號，再體現成電流信號。電流探頭可以測試幾十毫安到幾百安培的電流，使用時必要引出電流線（電流探頭是把導線夾在正中舉行測試的，不會影響被測電路）。

電流探頭在測試直流和低頻交換時的事情原理：
當電流鉗閉合，把一通有電流的導體圍在中央時，呼應地會顯現一個磁場。這些磁場使霍爾傳感器內的電子產生偏轉，在霍爾傳感器的輸動身生一個電動勢。電流探頭依據這個電動勢產生一個反向（補償）電流送至電流探頭的線圈，使電流鉗中的磁場為零，以避免飽和。電流探頭依據反向電流測得實踐的電流值。用這個辦法，可以十分線性的丈量大電流，包含交直流殽雜的電流。

圖13電流探頭測試直流和低頻時的事情原理

電流探頭在測試高頻時的事情原理：
隨著被測電流頻率的增長，霍爾效應漸漸減弱，當丈量一個不含直流因素的高頻交換電流時，大局部是經過磁場的強弱直接以為到電流探頭的線圈。此時，探頭就像一個電流變壓器，電流探頭直接丈量的是以為電流，而不是補償電流，功放的輸入為線圈提供一個低阻抗的接地回路。

圖14電流探頭測試高頻時的事情原理

電流探頭在交織地區時的事情原理：
當電流探頭事情在20KHz的上下頻交織地區時，局部丈量是經過霍爾傳感器完成的，另一局部是經過線圈完成的。

圖15電流探頭交織地區的事情原理

四、有源探頭附件
古代的高帶寬有源探頭都接納分散式的計劃辦法，即：探頭擴大器與探頭附件局部散開。如此計劃的利益是：
1、支持更多的探頭附件，使得探測愈加的機動；
2、保護投資，最貴的是探頭擴大器（一個探頭擴大器可以支持多種探測辦法，從前必要幾個探頭來完成）；同時探頭附件保護探頭擴大器（探頭附件即使毀壞，價格也相對便宜）；
3、這種計劃辦法容易完成高帶寬。

圖16探頭附件

這些探頭附件，主要包含以下幾種：
1、點測探頭附件（包含：單端點測和差分點測）；
2、焊接探頭附件（包含：單端焊接和差分焊接，分散式的ZIF焊接）；
3、插孔探頭附件；
4、差分SMA探頭附件（示波器尋常直接支持SMA毗連，但是假如被測信號必要上拉如HDMI，則必需使用SMA探頭附件）。

探頭附件的電路布局如下圖所示：
1、在探頭附件尖端局部會有一對阻尼電阻（尋常82ohm），這對阻尼電阻的作用是消弭探頭附件尖端局部的電感的諧振影響；
2、探頭尖端局部的后方是25Kohm的電阻，這個電阻決定了探頭的輸入阻抗（直流輸入阻抗即電阻：單端25Kohm，差分50Kohm），這個電阻使得被測信號傳輸到探頭擴大器局部的功率好壞常小的，不至于對被測信號有較大影響。
3、25Kohm的電阻后方是同軸傳輸線局部，這個傳輸線賣力把小信號傳輸到擴大器。這個傳輸線的長度可以很長，也可以很短，正中可以加衰減器，也可以加耦合電容。
4、同軸傳輸線毗連到擴大器，擴大器是50ohm婚配的（差分100ohm婚配）。

圖17有源探頭附件的布局

有源探頭為了堅持探頭的準確度，必要事情在恒溫形態，以是探頭擴大器不克不及安排到低溫度低箱里舉行低溫度低情況下被測電路板的測試。從探頭附件布局中可見正中的50ohm傳輸線的是非不影響探測，以是可以用很長的同軸電纜或擴展同軸電纜，讓這個同軸電纜伸進低溫度低箱里舉行低溫度低換進下被測電路板的測試。如下圖是N5450A擴展電纜，使用N5381A焊接探頭附件，可以事情在-55°到150°溫度范圍。

圖18低溫度低探頭布局原理

使用N5450A擴展電纜和N5381A探頭附件，使用1169A 12GHz探頭擴大器，在-55°和150°情況下的頻響曲線如下圖所示，可見可以滿意高速信號測試的要求。

圖19低溫度低探頭在低溫度低下的頻響

五、探頭及附件準確度驗證
下圖是一個例子：被測信號是一個頻率456MHz，邊沿時間約65ps的時鐘信號，分散使用不同典范的探頭和探頭附件的測試后果。
A圖是使用12GHz的1169A差分探頭和N5381A 12GHz焊接探頭附件的測試后果，幾乎完全復現被測信號；
B圖是使用500MHz的無源探頭的測試后果，體現的信號完全失真；
C圖是使用12GHz的1169A差分探頭和較長的測試引線的測試后果，體現的信號顯現很大的過沖；
D圖是使用4GHz的1158A單端探頭和較長的測試引線的測試后果，體現的信號幾乎是正弦波，失真較大。

圖20不同探頭附件測試后果比力

從圖中可見探頭和探頭附件對測試準確度的影響好壞常大的，是我們測試高速信號應該重點注意的內容之一。那我們應該怎樣驗證探頭和探頭附件呢？
驗證探頭和探頭附件必要使用一臺脈沖碼型產生器（如:81134A，3.35GHz速率，60ps邊沿的脈沖碼型產生器），假如示波器自帶高速信號輸入功效，也可以使用示波器的這個幫助輸入口代替脈沖碼型產生器（如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以發一個高速時鐘：456MHz頻率，約65ps邊沿）。別的，必要同軸電纜和測試夾具（Infiniium示波器設置的探頭校準夾具可以作為探頭和探頭附件驗證測試夾具）。測試夾具的外表是地(Ground)，內里走線是信號(Signal)，如下圖所示。使用時，經過同軸電纜把一端接到脈沖碼型產生器或示波器的幫助輸入AUX OUT端口，別的一端經過適配器毗連到示波器的通道1上。

圖21探頭驗證夾具

然后把被驗證的探頭毗連到通道2上，探頭經過探頭附件可以交往到測試夾具的信號和地（假如是差分探頭，那么把+端毗連到測試夾具的信號線，把-端毗連到測試夾具的地上）。
1、假如探頭不交往信號線，則屏幕上會顯現一個原始波形，存為參考波形；
2、當用探頭探測信號線時，通道1的波形會產生厘革，這個厘革后的波形就是被探頭和探頭附件影響后的被測信號；
3、這時，毗連探頭的通道2會顯現一個波形，這個波形是探頭測試到的波形；
4、經過比力參考波形，通道1的波形，和毗連探頭的通道2的波形，就可以直觀的看出或經過測試參數讀出三者的不同，可以驗證探頭和探頭附件的影響。

圖22探頭驗證毗連和原理

下圖是實踐驗證的一個例子，圖A把示波器的AUX OUT經過同軸電纜毗連到測試夾具，測試夾具的另一端經過SMA-PBNC適配器毗連到示波器的一個通道上（此例毗連到通道3），把探頭毗連到通道1上，此時調停屏幕上的波形，使得顯現一個邊沿階躍波形，如圖C所示，并把此波形存為參考波形。如圖B把被驗證探頭和附件點測到測試夾具上，如圖D所示，屏幕上顯現3個波形，蘭色的是參考波形，綠色的是受探頭影響后的被測波形，黃色的是探頭體現的波形，經過測試上升時間參數，過沖參數等，可確認探頭和探頭附件的功能。

圖23探頭驗證實例

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