硬件工程师基本功—示波器探头

硬件工程师基本功—示波器探头

示波器由于有探头的存在而扩展了示波器的使用范围，使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路，如下图：

图1示波器探头的作用

探头的选择和使用必要思索如下两个方面：

其一：由于探头有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路；

其二：探头是整个示波器丈量体系的一局部，会直接影响仪器的信号保真度和测试后果

一、探头的负载效应
当探头探测到被测电路后，探头成为了被测电路的一局部。探头的负载效应包含底下3局部：
1. 阻性负载效应；
2. 容性负载效应；
3. 敏感负载效应。

图2探头的负载效应

阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻，对被测信号有分压的作用，影响被测信号的幅度和直流偏置。偶尔，加上探头时，有妨碍的电路约莫变得正常了。寻常保举探头的电阻R>10倍被测源电阻，以维持小于10%的幅度偏差。

图3探头的阻性负载

容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容，对被测信号有滤波的作用，影响被测信号的上升下降时间，影响传输延长，影响传输互连通道的带宽。偶尔，加上探头时，有妨碍的电路变得正常了，这个电容效应起到了紧张的作用。寻常保举使用电容负载尽力小的探头，以减小对被测信号边沿的影响。

图4探头的容性负载

敏感负载泉源于探头地线的电感效应，这地线电感会与容性负载和阻性负载构成谐振，从而使体现的信号上显现振铃。假如体现的信号上显现分明的振铃，必要反省确认是被测信号的真实特性照旧由于接地线惹起的振铃，反省确认的办法是使用尽力短的接地线。寻常保举使用尽力短的地线，寻常地线电感=1nH/mm。

图5探头的敏感负载

二、探头的典范
示波器探头大的方面可以分为：无源探头和有源探头两大类。无源有源望文生义就是需不必要给探头供电。
无源探头细分如下：
1. 低阻电阻分压探头；
2. 带补偿的高阻无源探头（最常用的无源探头）；
3. 高压探头

有源探头细分如下：
1. 单端有源探头；
2. 差分探头；
3. 电流探头

最常用的高阻无源探头和有源探头简便比力如下：

表1有源探头和无源探头比力

低阻电阻分压探头具有较低的电容负载（<1pf)，较高的带宽（>1.5GHz），较低的价格，但是电阻负载十分大，寻常仅有500ohm或1Kohm，以是只合适测试低源阻抗的电路，或只眷注时间参数测试的电路。

图6低输入电阻探头布局

带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头，寻常示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具有较高的输入电阻（寻常1Mohm以上），可调的补偿电容，以婚配示波器的输入，具有较高的动态范围，可以测试较大幅度的信号（几十幅以上），价格也较低。但是不知之处是输入电容过大（寻常10pf以上），带宽较低（寻常500MHz以内）。

图7常用的无源探头布局

带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容，当接上示波器时，寻常必要调停电容值（必要使用探头自带的小螺丝刀来调停，调停时把探头毗连到示波器补偿输入测试地点），以与示波器输入电容婚配，以消弭低频或高频增益。下图的右方是存在高频或低频增益，调停后的补偿信号体现波形如下图的右方所示。

图8无源探头的补偿

高压探头是带补偿的无源探头的基本上，增大输入电阻，使得衰减加大（如：100:1或1000:1等)。由于必要使用耐高压的元器件，以是高压探头寻常物理尺寸较大。

图9高压探头的布局

三、有源探头
我们先来察看一下用600MHz无源探头和1.5GHz有源探头测试1ns上升时间阶跃信号的影响。使用脉冲产生器产生一个1ns的阶跃信号，经过测试夹具后，使用SMA电缆直接毗连到一个1.5GHz带宽的示波器上，如此示波器上会体现一个波形（如下图中的兰色信号），把这个波形存为参考波形。然后使用探头点测测试夹具去探测被测信号，经过SMA直连的波形由于受探头负载的影响而变成黄色的波形，探头通道体现的是绿色的波形。然后分散测试上升时间，可以看出无源探头和有源探头对高速信号的影响。

图10无源探头和有源探头对被测信号和丈量后果的影响

具体测试后果如下：
使用1165A 600MHz无源探头，使用鳄鱼嘴接地线：受探头负载的影响，上升时间变为：1.9ns；探头通道体现的波形存在振铃，上升时间为：1.85ns;
使用1156A 1.5GHz有源探头，使用5cm接地线：受探头负载的影响较小，上升时间仍为：1ns；探头通道体现的波形与原始信号一律，上升时间仍为：1ns。
单端有源探头布局图如下，使用扩大器完成阻抗变动的目标。单端有源探头的输入阻抗较高（寻常达100Kohm以上），而输入电容较小（寻常小于1pf)，经过探头扩大器后毗连到示波器，示波器必需使用50ohm输入阻抗。有源探头带宽宽（如今可达30GHz），而负载小，但是价格相对较高（寻常每根探头到达相反带宽示波器价格的10%支配)，动态范围较小（这个必要注意，由于凌驾探头动态范围的信号，不克不及准确测试。寻常动态范围5V支配），比力脆弱，使用需警惕。

图11有源探头布局

差分探头布局图如下，使用差分扩大器完成阻抗变动的目标。差分探头的输入阻抗较高（寻常达50Kohm以上），而输入电容较小（寻常小于1pf)，经过差分探头扩大器后毗连到示波器，示波器必需使用50ohm 输入阻抗。差分探头带宽十分宽（如今可达30GHz），负载十分小，具有较高共模克制比，但是价格相对较高（寻常每根探头到达相反带宽示波器价格的10%支配)，动态范围也较小（这个必要注意，由于凌驾探头动态范围的信号，不克不及准确测试。寻常动态范围3V支配），比力脆弱，使用需警惕。
差分探头合适测试高速差分信号（测试时不必接地），合适扩大器测试，电源测试，合适虚地测试等使用。

图12差分探头布局

电流探头也是有源探头，使用霍尔传感器和以为线圈完成直流和交换电流的丈量。电流探头把电流信号转换成电压信号，示波器收罗电压信号，再体现成电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流，使用时必要引出电流线（电流探头是把导线夹在正中举行测试的，不会影响被测电路）。

电流探头在测试直流和低频交换时的事情原理：
当电流钳闭合，把一通有电流的导体围在中央时，呼应地会显现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子产生偏转，在霍尔传感器的输动身生一个电动势。电流探头依据这个电动势产生一个反向（补偿）电流送至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，以避免饱和。电流探头依据反向电流测得实践的电流值。用这个办法，可以十分线性的丈量大电流，包含交直流殽杂的电流。

图13电流探头测试直流和低频时的事情原理

电流探头在测试高频时的事情原理：
随着被测电流频率的增长，霍尔效应渐渐减弱，当丈量一个不含直流因素的高频交换电流时，大局部是经过磁场的强弱直接以为到电流探头的线圈。此时，探头就像一个电流变压器，电流探头直接丈量的是以为电流，而不是补偿电流，功放的输入为线圈提供一个低阻抗的接地回路。

图14电流探头测试高频时的事情原理

电流探头在交织地区时的事情原理：
当电流探头事情在20KHz的上下频交织地区时，局部丈量是经过霍尔传感器完成的，另一局部是经过线圈完成的。

图15电流探头交织地区的事情原理

四、有源探头附件
古代的高带宽有源探头都接纳分散式的计划办法，即：探头扩大器与探头附件局部散开。如此计划的利益是：
1、支持更多的探头附件，使得探测愈加的机动；
2、保护投资，最贵的是探头扩大器（一个探头扩大器可以支持多种探测办法，从前必要几个探头来完成）；同时探头附件保护探头扩大器（探头附件即使毁坏，价格也相对便宜）；
3、这种计划办法容易完成高带宽。

图16探头附件

这些探头附件，主要包含以下几种：
1、点测探头附件（包含：单端点测和差分点测）；
2、焊接探头附件（包含：单端焊接和差分焊接，分散式的ZIF焊接）；
3、插孔探头附件；
4、差分SMA探头附件（示波器寻常直接支持SMA毗连，但是假如被测信号必要上拉如HDMI，则必需使用SMA探头附件）。

探头附件的电路布局如下图所示：
1、在探头附件尖端局部会有一对阻尼电阻（寻常82ohm），这对阻尼电阻的作用是消弭探头附件尖端局部的电感的谐振影响；
2、探头尖端局部的后方是25Kohm的电阻，这个电阻决定了探头的输入阻抗（直流输入阻抗即电阻：单端25Kohm，差分50Kohm），这个电阻使得被测信号传输到探头扩大器局部的功率好坏常小的，不至于对被测信号有较大影响。
3、25Kohm的电阻后方是同轴传输线局部，这个传输线卖力把小信号传输到扩大器。这个传输线的长度可以很长，也可以很短，正中可以加衰减器，也可以加耦合电容。
4、同轴传输线毗连到扩大器，扩大器是50ohm婚配的（差分100ohm婚配）。

图17有源探头附件的布局

有源探头为了坚持探头的准确度，必要事情在恒温形态，以是探头扩大器不克不及安排到低温度低箱里举行低温度低情况下被测电路板的测试。从探头附件布局中可见正中的50ohm传输线的是非不影响探测，以是可以用很长的同轴电缆或扩展同轴电缆，让这个同轴电缆伸进低温度低箱里举行低温度低换进下被测电路板的测试。如下图是N5450A扩展电缆，使用N5381A焊接探头附件，可以事情在-55°到150°温度范围。

图18低温度低探头布局原理

使用N5450A扩展电缆和N5381A探头附件，使用1169A 12GHz探头扩大器，在-55°和150°情况下的频响曲线如下图所示，可见可以满意高速信号测试的要求。

图19低温度低探头在低温度低下的频响

五、探头及附件准确度验证
下图是一个例子：被测信号是一个频率456MHz，边沿时间约65ps的时钟信号，分散使用不同典范的探头和探头附件的测试后果。
A图是使用12GHz的1169A差分探头和N5381A 12GHz焊接探头附件的测试后果，几乎完全复现被测信号；
B图是使用500MHz的无源探头的测试后果，体现的信号完全失真；
C图是使用12GHz的1169A差分探头和较长的测试引线的测试后果，体现的信号显现很大的过冲；
D图是使用4GHz的1158A单端探头和较长的测试引线的测试后果，体现的信号几乎是正弦波，失真较大。

图20不同探头附件测试后果比力

从图中可见探头和探头附件对测试准确度的影响好坏常大的，是我们测试高速信号应该重点注意的内容之一。那我们应该怎样验证探头和探头附件呢？
验证探头和探头附件必要使用一台脉冲码型产生器（如:81134A，3.35GHz速率，60ps边沿的脉冲码型产生器），假如示波器自带高速信号输入功效，也可以使用示波器的这个帮助输入口代替脉冲码型产生器（如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以发一个高速时钟：456MHz频率，约65ps边沿）。别的，必要同轴电缆和测试夹具（Infiniium示波器设置的探头校准夹具可以作为探头和探头附件验证测试夹具）。测试夹具的外表是地(Ground)，内里走线是信号(Signal)，如下图所示。使用时，经过同轴电缆把一端接到脉冲码型产生器或示波器的帮助输入AUX OUT端口，别的一端经过适配器毗连到示波器的通道1上。

图21探头验证夹具

然后把被验证的探头毗连到通道2上，探头经过探头附件可以交往到测试夹具的信号和地（假如是差分探头，那么把+端毗连到测试夹具的信号线，把-端毗连到测试夹具的地上）。
1、假如探头不交往信号线，则屏幕上会显现一个原始波形，存为参考波形；
2、当用探头探测信号线时，通道1的波形会产生厘革，这个厘革后的波形就是被探头和探头附件影响后的被测信号；
3、这时，毗连探头的通道2会显现一个波形，这个波形是探头测试到的波形；
4、经过比力参考波形，通道1的波形，和毗连探头的通道2的波形，就可以直观的看出或经过测试参数读出三者的不同，可以验证探头和探头附件的影响。

图22探头验证毗连和原理

下图是实践验证的一个例子，图A把示波器的AUX OUT经过同轴电缆毗连到测试夹具，测试夹具的另一端经过SMA-PBNC适配器毗连到示波器的一个通道上（此例毗连到通道3），把探头毗连到通道1上，此时调停屏幕上的波形，使得显现一个边沿阶跃波形，如图C所示，并把此波形存为参考波形。如图B把被验证探头和附件点测到测试夹具上，如图D所示，屏幕上显现3个波形，兰色的是参考波形，绿色的是受探头影响后的被测波形，黄色的是探头体现的波形，经过测试上升时间参数，过冲参数等，可确认探头和探头附件的功能。

图23探头验证实例

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