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百科知識

示波器探頭原理

leegi 2021-05-13 15:46 0

示波器因為有探頭的存在而擴展了示波器的應用范圍,使得示波器可以在線測試和分析被測電子電路,如下圖:


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圖1 示波器探頭的作用


探頭的選擇和使用需要考慮如下兩個方面:


其一:因為探頭有負載效應,探頭會直接影響被測信號和被測電路;

其二:探頭是整個示波器測量系統的一部分,會直接影響儀器的信號保真度和測試結果


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部分。探頭的負載效應包括下面3部分:


1. 阻性負載效應;

2. 容性負載效應;

3. 感性負載效應。


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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。有時,加上探頭時,有故障的電路可能變得正常了。一般推薦探頭的電阻R>10倍被測源電阻,以維持小于10%的幅度誤差。


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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,影響傳輸延遲,影響傳輸互連通道的帶寬。有時,加上探頭時,有故障的電路變得正常了,這個電容效應起到了關鍵的作用。一般推薦使用電容負載盡量小的探頭,以減小對被測信號邊沿的影響。


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圖4 探頭的容性負載


感性負載來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形成諧振,從而使顯示的信號上出現振鈴。如果顯示的信號上出現明顯的振鈴,需要檢查確認是被測信號的真實特征還是由于接地線引起的振鈴,檢查確認的方法是使用盡量短的接地線。一般推薦使用盡量短的地線,一般地線電感=1nH/mm。


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圖5 探頭的感性負載


二、探頭的類型


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。無源有源顧名思義就是需不需要給探頭供電。


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單對比如下:


表1 有源探頭和無源探頭對比


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低阻電阻分壓探頭具備較低的電容負載(<1pf),較高的帶寬(>1.5GHz),較低的價格,但是電阻負載非常大,一般只有500ohm或1Kohm,所以只適合測試低源阻抗的電路,或只關注時間參數測試的電路。


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圖6 低輸入電阻探頭結構


帶補償的高阻無源探頭是最常用的無源探頭,一般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備較高的輸入電阻(一般1Mohm以上),可調的補償電容,以匹配示波器的輸入,具備較高的動態范圍,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(一般10pf以上),帶寬較低(一般500MHz以內)。


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圖7 常用的無源探頭結構


帶補償的高阻無源探頭有一個補償電容,當接上示波器時,一般需要調整電容值(需要使用探頭自帶的小螺絲刀來調整,調整時把探頭連接到示波器補償輸出測試位置),以與示波器輸入電容匹配,以消除低頻或高頻增益。下圖的左邊是存在高頻或低頻增益,調整后的補償信號顯示波形如下圖的右邊所示。


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圖8 無源探頭的補償


高壓探頭是帶補償的無源探頭的基礎上,增大輸入電阻,使得衰減加大(如:100:1或1000:1等)。因為需要使用耐高壓的元器件,所以高壓探頭一般物理尺寸較大。


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圖9 高壓探頭的結構


三、有源探頭


我們先來觀察一下用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。使用脈沖發生器產生一個1ns的階躍信號,通過測試夾具后,使用SMA電纜直接連接到一個1.5GHz帶寬的示波器上,這樣示波器上會顯示一個波形(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,通過SMA直連的波形因為受探頭負載的影響而變成黃色的波形,探頭通道顯示的是綠色的波形。然后分別測試上升時間,可以看出無源探頭和有源探頭對高速信號的影響。


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圖10 無源探頭和有源探頭對被測信號和測量結果的影響


具體測試結果如下:


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;探頭通道顯示的波形存在振鈴,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;探頭通道顯示的波形與原始信號一致,上升時間仍為:1ns。


單端有源探頭結構圖如下,使用放大器實現阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高(一般達100Kohm以上),而輸入電容較小(一般小于1pf),通過探頭放大器后連接到示波器,示波器必須使用50ohm輸入阻抗。有源探頭帶寬寬(現在可達30GHz),而負載小,但是價格相對較高(一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10%左右),動態范圍較小(這個需要注意,因為超過探頭動態范圍的信號,不能正確測試。一般動態范圍5V左右),比較脆弱,使用需小心。


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圖11 有源探頭結構


差分探頭結構圖如下,使用差分放大器實現阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高(一般達50Kohm以上),而輸入電容較小(一般小于1pf),通過差分探頭放大器后連接到示波器,示波器必須使用50ohm 輸入阻抗。差分探頭帶寬非常寬(現在可達30GHz),負載非常小,具有較高共模抑制比,但是價格相對較高(一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10%左右),動態范圍也較小(這個需要注意,因為超過探頭動態范圍的信號,不能正確測試。一般動態范圍3V左右),比較脆弱,使用需小心。


差分探頭適合測試高速差分信號(測試時不用接地),適合放大器測試,電源測試,適合虛地測試等應用。


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圖12 差分探頭結構


電流探頭也是有源探頭,利用霍爾傳感器和感應線圈實現直流和交流電流的測量。電流探頭把電流信號轉換成電壓信號,示波器采集電壓信號,再顯示成電流信號。電流探頭可以測試幾十毫安到幾百安培的電流,使用時需要引出電流線(電流探頭是把導線夾在中間進行測試的,不會影響被測電路)。


電流探頭在測試直流和低頻交流時的工作原理:


當電流鉗閉合,把一通有電流的導體圍在中心時,響應地會出現一個磁場。這些磁場使霍爾傳感器內的電子發生偏轉,在霍爾傳感器的輸出產生一個電動勢。電流探頭根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,以防止飽和。電流探頭根據反向電流測得實際的電流值。用這個方法,能夠非常線性的測量大電流,包括交直流混合的電流。


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圖13 電流探頭測試直流和低頻時的工作原理


電流探頭在測試高頻時的工作原理:


隨著被測電流頻率的增加,霍爾效應逐漸減弱,當測量一個不含直流成分的高頻交流電流時,大部分是通過磁場的強弱直接感應到電流探頭的線圈。此時,探頭就像一個電流變壓器,電流探頭直接測量的是感應電流,而不是補償電流,功放的輸出為線圈提供一個低阻抗的接地回路。


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圖14 電流探頭測試高頻時的工作原理


電流探頭在交叉區域時的工作原理:


當電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區域時,部分測量是通過霍爾傳感器實現的,另一部分是通過線圈實現的。


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圖15 電流探頭交叉區域的工作原理


四、有源探頭附件


現代的高帶寬有源探頭都采用分離式的設計方法,即:探頭放大器與探頭附件部分分開。這樣設計的好處是:


1、支持更多的探頭附件,使得探測更加的靈活;

2、保護投資,最貴的是探頭放大器(一個探頭放大器可以支持多種探測方式,以前需要幾個探頭來實現);同時探頭附件保護探頭放大器(探頭附件即使損壞,價格也相對便宜);

3、這種設計方式容易實現高帶寬。


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圖16 探頭附件


這些探頭附件,主要包括以下幾種:


1、點測探頭附件(包括:單端點測和差分點測);

2、焊接探頭附件(包括:單端焊接和差分焊接,分離式的ZIF焊接);

3、插孔探頭附件;

4、差分SMA探頭附件(示波器一般直接支持SMA連接,但是如果被測信號需要上拉如HDMI,則必須使用SMA探頭附件)。


探頭附件的電路結構如下圖所示:


1、在探頭附件尖端部分會有一對阻尼電阻(一般82ohm),這對阻尼電阻的作用是消除探頭附件尖端部分的電感的諧振影響;

2、探頭尖端部分的后面是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放大器部分的功率是非常小的,不至于對被測信號有較大影響。

3、25Kohm的電阻后面是同軸傳輸線部分,這個傳輸線負責把小信號傳輸到放大器。這個傳輸線的長度可以很長,也可以很短,中間可以加衰減器,也可以加耦合電容。

4、同軸傳輸線連接到放大器,放大器是50ohm匹配的(差分100ohm匹配)。


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圖17 有源探頭附件的結構


有源探頭為了保持探頭的精確度,需要工作在恒溫狀態,所以探頭放大器不能放置到高低溫箱里進行高低溫環境下被測電路板的測試。從探頭附件結構中可見中間的50ohm傳輸線的長短不影響探測,所以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高低溫箱里進行高低溫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,可以工作在-55°到150°溫度范圍。


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圖18 高低溫探頭結構原理


使用N5450A擴展電纜和N5381A探頭附件,使用1169A 12GHz探頭放大器,在-55°和150°環境下的頻響曲線如下圖所示,可見能夠滿足高速信號測試的要求。


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圖19 高低溫探頭在高低溫下的頻響


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,分別使用不同類型的探頭和探頭附件的測試結果。


A圖是使用12GHz的1169A差分探頭和N5381A 12GHz焊接探頭附件的測試結果,幾乎完全復現被測信號;


B圖是使用500MHz的無源探頭的測試結果,顯示的信號完全失真;


C圖是使用12GHz的1169A差分探頭和較長的測試引線的測試結果,顯示的信號出現很大的過沖;


D圖是使用4GHz的1158A單端探頭和較長的測試引線的測試結果,顯示的信號幾乎是正弦波,失真較大。


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圖20 不同探頭附件測試結果對比


從圖中可見探頭和探頭附件對測試精確度的影響是非常大的,是我們測試高速信號應該重點注意的內容之一。那我們應該如何驗證探頭和探頭附件呢?


驗證探頭和探頭附件需要使用一臺脈沖碼型發生器(如:81134A,3.35GHz速率,60ps邊沿的脈沖碼型發生器),如果示波器自帶高速信號輸出功能,也可以使用示波器的這個輔助輸出口代替脈沖碼型發生器(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)。另外,需要同軸電纜和測試夾具(Infiniium示波器配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),里面走線是信號(Signal),如下圖所示。使用時,通過同軸電纜把一端接到脈沖碼型發生器或示波器的輔助輸出AUX OUT端口,另外一端通過適配器連接到示波器的通道1上。


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圖21 探頭驗證夾具


然后把被驗證的探頭連接到通道2上,探頭通過探頭附件可以接觸到測試夾具的信號和地(如果是差分探頭,那么把+端連接到測試夾具的信號線,把-端連接到測試夾具的地上)。


1、如果探頭不接觸信號線,則屏幕上會出現一個原始波形,存為參考波形;

2、當用探頭探測信號線時,通道1的波形會發生變化,這個變化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,連接探頭的通道2會出現一個波形,這個波形是探頭測試到的波形;

4、通過對比參考波形,通道1的波形,和連接探頭的通道2的波形,就可以直觀的看出或通過測試參數讀出三者的差別,可以驗證探頭和探頭附件的影響。


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圖22 探頭驗證連接和原理


下圖是實際驗證的一個例子,圖A把示波器的AUX OUT通過同軸電纜連接到測試夾具,測試夾具的另一端通過SMA-PBNC適配器連接到示波器的一個通道上(此例連接到通道3),把探頭連接到通道1上,此時調整屏幕上的波形,使得出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,屏幕上出現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,黃色的是探頭顯示的波形,通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性能。


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圖23 探頭驗證實例

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