示波器原理（二）

閱讀：2059 發(fā)布時(shí)間：2021-11-17

四、有源探頭附件

現(xiàn)代高帶寬有源探頭采用獨(dú)立的設(shè)計(jì)方法，即探頭放大器與探頭附件分離。這種設(shè)計(jì)的好處是:

支持更多探頭配件，使檢測(cè)更加靈活;
保護(hù)投資，最昂貴的是探頭放大器 (一個(gè)探頭放大器可以支持多種檢測(cè)方法，這以前需要幾個(gè)探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)); 同時(shí)，探頭附件保護(hù)探頭放大器 (即使探頭附件損壞，價(jià)格也相對(duì)便宜);
這種設(shè)計(jì)方法易于實(shí)現(xiàn)高帶寬。

圖16探頭附件

這些探頭附件，主要包括以下幾種：
1、點(diǎn)測(cè)探頭附件（包括：單端點(diǎn)測(cè)和差分點(diǎn)測(cè)）；
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(cè)信號(hào)需要上拉如HDMI，則必須使用SMA探頭附件）。

探頭附件的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：
1、探頭附件的部分會(huì)有一對(duì)阻尼電阻 (通常為82ohm)，用于消除探頭附件部分電感的共振效應(yīng);
2、探針后一部分是25Kohm的電阻，它決定了探頭的輸入阻抗 (直流輸入阻抗是電阻: 單端25Kohm，差分50Kohm)，這種電阻使得傳輸?shù)教筋^放大器部分的被測(cè)信號(hào)的功率非常小，從而不會(huì)對(duì)被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生很大的影響。
3、在25kohm的電阻后面是同軸傳輸線(xiàn)，它負(fù)責(zé)將小信號(hào)傳輸?shù)椒糯笃鳌＿@條傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度可以很長(zhǎng)也可以很短。可以在中間添加衰減器或耦合電容器。
4、同軸傳輸線(xiàn)連接到放大器，放大器匹配50歐姆 (差分100歐姆匹配)。

圖17有源探頭附件的結(jié)構(gòu)

為了保持探頭的精度，有源探頭需要在恒溫狀態(tài)下工作，因此，探頭放大器不能放在高低溫箱中，以便在高低溫環(huán)境下測(cè)試被測(cè)電路板。從探頭附件結(jié)構(gòu)可以看出，中間50歐姆傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度不影響檢測(cè)，因此可以使用長(zhǎng)同軸電纜或擴(kuò)展同軸電纜，讓該同軸電纜伸入高低溫盒，用于在高低溫切換下測(cè)試被測(cè)電路板。下圖顯示了N5450A擴(kuò)展電纜。使用N5381A焊接探頭附件，可在-55 ° 至150 ° 的溫度范圍內(nèi)工作。

圖18高低溫探頭結(jié)構(gòu)原理

使用N5450A擴(kuò)展電纜和N5381A探頭附件，使用1169A 12GHz探頭放大器，在-55°和150°環(huán)境下的頻響曲線(xiàn)如下圖所示，可見(jiàn)能夠滿(mǎn)足高速信號(hào)測(cè)試的要求。

圖19高低溫探頭在高低溫下的頻響

五、探頭及附件準(zhǔn)確度驗(yàn)證

下圖是一個(gè)例子：被測(cè)信號(hào)是一個(gè)頻率456MHz，邊沿時(shí)間約65ps的時(shí)鐘信號(hào)，分別使用不同類(lèi)型的探頭和探頭附件的測(cè)試結(jié)果。

圖A顯示了12GHz 1169A差分探頭和N5381A 12ghz焊接探頭附件的測(cè)試結(jié)果，幾乎*再現(xiàn)了測(cè)量信號(hào);

圖B顯示了使用500MHz的無(wú)源探頭的測(cè)試結(jié)果，顯示的信號(hào)*失真;
圖C顯示了使用12GHz 1169A差分探頭和更長(zhǎng)的測(cè)試引線(xiàn)的測(cè)試結(jié)果，并且顯示的信號(hào)具有較大的過(guò)射;
D圖顯示了使用4GHz 1158A單端探頭和更長(zhǎng)的測(cè)試引線(xiàn)的測(cè)試結(jié)果。顯示的信號(hào)幾乎是大失真的正弦波。

圖20不同探頭附件測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從圖中可以看出，探頭和探頭附件對(duì)測(cè)試精度有很大影響，這是我們?cè)跍y(cè)試高速信號(hào)時(shí)應(yīng)該注意的內(nèi)容之一。我們應(yīng)該如何驗(yàn)證探頭和探頭附件？

驗(yàn)證探針和配件，你需要使用脈沖碼型發(fā)生器 (例如，脈沖碼型發(fā)生器81134A，3.35GHz速度和60PS邊緣)。如果示波器來(lái)了對(duì)于高速信號(hào)輸出功能，您還可以使用示波器的輔助輸出端口代替脈沖碼型發(fā)生器 (例如，Infiniium示波器的AUX OUT端口可發(fā)送高速時(shí)鐘: 456MHz頻率，約65PS邊緣)。此外，還需要同軸電纜和測(cè)試夾具 (配置有Infiniium示波器的探頭校準(zhǔn)夾具可用作驗(yàn)證測(cè)試夾具的探頭和探頭附件)。測(cè)試夾具的外表面是接地的，內(nèi)部布線(xiàn)是信號(hào)，如下圖所示。使用時(shí)，一端通過(guò)同軸電纜連接到脈沖碼發(fā)生器或示波器的輔助輸出AUX OUT端口，另一端通過(guò)適配器連接到示波器的通道1。

圖21探頭驗(yàn)證夾具

然后將已驗(yàn)證的探頭連接到通道2，探頭可以通過(guò)探頭附件接觸測(cè)試夾具的信號(hào)和接地 (如果是差分探頭，將 + 端連接到測(cè)試夾具的信號(hào)線(xiàn)，將-端連接到測(cè)試夾具的地面)。

1、如果探頭未接觸信號(hào)線(xiàn)，屏幕上將出現(xiàn)原始波形，該波形存儲(chǔ)為參考波形;
2、當(dāng)使用探頭檢測(cè)信號(hào)線(xiàn)時(shí)，通道1的波形會(huì)發(fā)生變化。改變的波形是受探頭和探頭附件影響的測(cè)量信號(hào);
3、此時(shí)，連接探頭的通道2中會(huì)出現(xiàn)波形，這是探頭測(cè)試的波形;
4、通過(guò)比較參考波形、通道1的波形和連接到探頭的通道2的波形，您可以通過(guò)測(cè)試參數(shù)直觀(guān)地看到或讀出這三個(gè)參數(shù)之間的差異，您可以驗(yàn)證探頭和探頭附件的影響。

圖22探頭驗(yàn)證連接和原理

下圖顯示了實(shí)際驗(yàn)證的示例。圖A通過(guò)同軸電纜將示波器外的AUX OUT連接到測(cè)試夾具，測(cè)試夾具的另一端通過(guò)SMA-PBNC適配器連接到示波器的通道 (此示例連接到通道3)，并且探頭連接到通道1。此時(shí)，調(diào)整屏幕上的波形，這將導(dǎo)致出現(xiàn)邊緣階躍波形，如圖C所示，并將該波形存儲(chǔ)為參考波形。如圖B所示，已驗(yàn)證的探針和附件是測(cè)試夾具的點(diǎn)測(cè)量。如圖D所示，屏幕上出現(xiàn)3個(gè)波形，藍(lán)色是參考波形，綠色是受探頭影響的測(cè)量波形，黃色是探頭顯示的波形。通過(guò)測(cè)試上升時(shí)間參數(shù)和超速參數(shù)，可以確認(rèn)探頭和探頭附件的性能。

圖23探頭驗(yàn)證實(shí)例

示波器原理（二）

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