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干货分享:示波器探头选择 7要素

2016-08-16  zsok
在为示波器应用选择合适的测量工具时,往往事后才会想到探头。许多工程师在选择示波器时,首要考虑的通常是带宽、采样率和通道数量需求,然后才是如何让信号进入示波器。 

但实际上,探头的选择也是至关重要的一个环节。为您的应用选择合适的探头以及如何使用探头,是实现可靠的示波器测量不可缺少的步骤。本文为您介绍与探头选择相关的一些常见考虑因素,以及改善示波器探测的一些技巧。

选择无源探头还是有源探头?
当您购买中低档示波器时,通常每个示波器通道会标配一个高阻抗无源探头。相比有源探头而言,无源探头更坚固、更便宜。示波器输入端接 1 M? 的阻抗时,它们能提供宽动态范围和超过 500 MHz 的带宽。

对于是否需要标准无源探头以外的其他探头,您可能会碰到一个难题。考虑到标准的无源探头是针对大范围探测连接而设计的通用工具,如果要测量具有快速上升/下降时间的高速信号,建议采用具有足够带宽的有源探头。同样,差分或电流信号的测量也最好采用有源差分或电流探头。因此,可以考虑专用的或在小范围内有更好表现的有源探头。如果按照设计的方式正确使用这些特殊探头的话,每一根探头都能达到最佳效果。

单端、差分或多模
示波器在测量信号时以一个公共参考点(即接地)作为基准。使用示波器和标准单端探头测得的信号,等于被测器件的特定点与接地之间的电势差。 

如果您需要测量电路中不同元器件上的电压,而这些元器件未与接地连接,那么您需要进行差分测量。对此,您需要使用差分探头。由于差分探头内的差分放大器会放大两个探测点之间的信号差,因此,它会抑制两点上共有的电压,并将两个点之间的电势差提取到示波器的输入。 

差分探头是高带宽示波器用户的常用工具,但该探头很难显示组成差分信号的单独分量。为了测量差分信号的单端和共模分量,用户迫切需要一款具有高速数据信号测量功能的示波器探头。新型多工作模式示波器探头,例如是德科技的 InfiniiMode 差分探头,提供了多种工作模式,可以通过单次连接来测量差分信号的单端、差分和共模特性(图 1)。
 
图 1 是德科技的 InfiniiMode 差分探头,提供多种模式,可以通过单次连接来测量差分信号的单端、差分和共模特性

带宽 
示波器和探头的带宽被定义为幅度降低 3dB 时的频率响应。大多数带宽指标为 1 GHz 或更低的示波器或探头通常具有所谓的高斯响应,在 -3dB 频率约三分之一处开始呈现缓慢的滚降特性。带宽指标超过 1 GHz 的示波器通常具有最平坦的频率或砖墙响应,并在 -3dB 点附近具有更为陡峭的滚降特性。

例如,如果您将具有相同带宽频率的正弦波放入探头,那么,您从 1 V 峰-峰值正弦波得到的 -3dB 带宽在探头输出端约为 0.7V 峰-峰值。因此,在 -3dB 点,该正弦波的幅度测量有大约 30% 的误差。 

根据经验,探头(或示波器)带宽应大于或等于您系统上最快信号带宽的 3 倍到 5 倍,以免造成信号频率分量的衰减。因此,您必须首先确定哪些是具体信号的最快上升或下降时间,并从中推算出信号带宽。如果您参考的是特定的通信标准,那么您应该能够找到该标准对于最快上升/下降时间做出的规定。确定最快上升/下降时间之后,请使用以下公式,根据您所采用的阈值来确定信号的带宽。对于 10% - 90% 的测量, 
高斯带宽*TR = 0.35
砖墙带宽*TR = 0.4

请记住,决定信号带宽的不是时钟频率,而是上升时间或下降时间。而且,探头附件往往会对整个带宽造成很大影响,因此也应当对探头附件加以考虑,以优化探头的带宽。

探头负载
当您将示波器探头与电路相连接时,探头成为被测电路的一部分,探头的电气特性会对整个测量系统的响应和被测器件的操作带来影响。探头将电阻、电容和电感负载引入到被测器件。 

在探头负载的这三个来源中,电容性负载往往最麻烦,它会影响到带宽、上升或下降时间和延迟。电容性负载通常会改变被测波形的形状。
 
这里有一个被测器件的图表和与被测器件相连的探头的简化电气模型。在理想情况下,V输入(探头输入端的电压)应当与 V 源(被测器件在探测之前的电压)相同。在现实中,由于探头与被测器件相连,被测器件和探头的阻抗决定了探头输入端的电压。这是一个简单的电阻分压器电路。 

如图 2 所示,在直流电路上,探头的电阻决定了负载特性,而探头的容抗对测量没有帮助,因为直流的容抗(Xc)是无限的。然而,随着频率升高,容抗变小,成为负载的主要来源,探头从被测器件上汲取越来越多的能量。  
 
图 2 由于探头和被测器件相连,被测器件和探头的阻抗决定了探头输入端的电压

现代高带宽探头采用 DSP(数字信号处理)校正技术,以确保平坦的频率响应特性。然而,探头负载特性是以物理方式确定的,并且仍然影响被测器件的操作。大多数制造商会对探头的输入电阻和电容大小做出规定,这些值也决定了负载特性。示波器探头校正滤波器可以调整频率响应,使示波器屏幕上的波形看起来更加平坦,但即使校正探头之后,实际探头负载也还是会影响到测量性能。我们无法违抗物理定律。

探头噪声
许多工程师都关注探头/示波器的固有噪声对测量的影响。有多种因素会对测量的噪声系数产生影响。不过,您要考虑的一个最重要的特性是信噪比。通常,探头的衰减比越小,会导致信噪比越高、噪声越低,但同时,它会带来较低的输入电阻、较低的动态范围和较低的共模范围等。这之间有一些权衡。评测探头噪声量的一种简单方法是检查衰减比和探头数据表或手册中规定的探头的噪声电平。

在理解探头噪声特性时,要注意的一个方面是,示波器探头制造商指定的探头噪声通常为其 ein(等效输入噪声)。一些制造商通常将这个指标称为等效输入噪声的“XmVrms”。其他人将其称为噪声频谱的“nV/rtHz”。通过代入探头带宽或使用这个公式,我们可以将一个数量转换为另一个数量;噪声频谱=ein/sqrt(带宽)。两者都是以探头输入为基准的探头噪声特性, 与示波器屏幕上显示的值可能有所不同。 



图 3 测量系统由示波器和探头组成,表征测量系统产生的基线噪声是一种很好的做法


测量系统由示波器和探头组成,表征测量系统产生的基线噪声,并验证所使用的工具适合于手头的任务是一种很好的做法。首先,设置示波器和探头,因为它们将根据电压/格、时基和连接附件使用,然后短接输入,并对基线噪声进行测量。(图 3)如果基线噪声的测得值高于您所期待的本底噪声,那么您可能需要寻找符合您需求的另一个测量解决方案。


探针附件
测量系统的性能由其最薄弱的环节决定。示波器或探头的带宽始终是关键的技术指标,但是,测量系统不只有示波器和探头。 
 
事实上,示波器往往“不”是测量系统中最薄弱的环节。测量系统还包括探头、电缆、连接器和夹具。这些元素中的每一个都有可能比示波器带来更大的带宽损耗。而与探头和探头附件不一样的是,电缆和连接器通常具有非常低的损耗。 
 
如果您看到高带宽探头在探针处具有比同类探头明显更长的输入导线,就有理由怀疑其会造成频率响应变异和退化。一般情况下,探针的输入线或导线越长,它对带宽下降、负载增加的影响也就越大,造成非平坦的频率响应,并导致在扫描带宽和探头连线以及环境发生改变时产生更多的变化。由于该系统的带宽为 1 GHz 以上,在判定系统性能时,探针效应可能会发挥更重要的作用。探针处可能出现非常显著的探头偏差。如果可能的话,请保持探针引线尽可能小,并保持连接的环路面积尽可能小。而且,如果使用单端探头的话,请保持低电感接地连接长度短、厚度大。  

探头响应校正
对于高带宽有源探头而言,探头响应校正已变得日渐普遍。探头最常见的校正方法是直流调整,它又引起探头的直流增益和偏置的调整。这种方法已用于大量的无源和有源探头,以便对直流增益和偏置系数实施妥善补偿。 

随着示波器性能提升到几 GHz 水平,直流校正方法不足以用于高频响应的表征和校正。交流校正是指随着频率变化的校正方案,旨在调整探头的交流响应特性,使之与理想探头的特性一致,所具有的平坦频率响应达到其额定带宽(-3dB 点)。在探头、探头前端附件和示波器的发展过程中,制造商准确地测量多个器件的 S 参数,对其特性求平均值,并创建出代表常见探头和示波器系统的校正过滤器。这种形式的校正使得标称校正的准确度显著提升,且不会给示波器用户带来其他任何不便。

不过,关于探头校正还有一个重要因素需要牢记在心。探头校正方法对探头标准配置和制造商所提供的探针附件加以校正。某些示波器用户会打造自身的定制探针,或对其设计目的进行修改。探针的变化会使得探头的特性发生急剧变化,不再能通过工厂校正来捕获并校正。


 


图 4 高级交流校正方法使平坦频率响应提高到探头的额定带宽

 
先进的技术,使探头系统朝着更高的性能发展,为用户提供更多的选择。如果探头的设计不能用于建立具有良好信号完整性的连接,那么探针下游的昂贵设备也于事无补。这篇文章概要介绍了选择和使用探头的实际考量、克服测量挑战以及验证探头测量结果并树立测量信心的方法。 


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