示波器探頭選擇要素

在為示波器應(yīng)用選擇合適的測(cè)量工具時(shí)，往往事后才會(huì)想到探頭。許多工程師在選擇示波器時(shí)，首要考慮的通常是帶寬、采樣率和通道數(shù)量需求，然后才是如何讓信號(hào)進(jìn)入示波器。
　　但實(shí)際上，探頭的選擇也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。為您的應(yīng)用選擇合適的探頭以及如何使用探頭，是實(shí)現(xiàn)可靠的示波器測(cè)量*的步驟。本文為您介紹與探頭選擇相關(guān)的一些常見考慮因素，以及改善示波器探測(cè)的一些技巧。
　　選擇無源探頭還是有源探頭？
　　當(dāng)您購買中低檔示波器時(shí)，通常每個(gè)示波器通道會(huì)標(biāo)配一個(gè)高阻抗無源探頭。相比有源探頭而言，無源探頭更堅(jiān)固、更便宜。示波器輸入端接 1 M? 的阻抗時(shí)，它們能提供寬動(dòng)態(tài)范圍和超過 500 MHz 的帶寬。
　　對(duì)于是否需要標(biāo)準(zhǔn)無源探頭以外的其他探頭，您可能會(huì)碰到一個(gè)難題。考慮到標(biāo)準(zhǔn)的無源探頭是針對(duì)大范圍探測(cè)連接而設(shè)計(jì)的通用工具，如果要測(cè)量具有快速上升/下降時(shí)間的高速信號(hào)，建議采用具有足夠帶寬的有源探頭。同樣，差分或電流信號(hào)的測(cè)量也采用有源差分或電流探頭。因此，可以考慮的或在小范圍內(nèi)有更好表現(xiàn)的有源探頭。如果按照設(shè)計(jì)的方式正確使用這些特殊探頭的話，每一根探頭都能達(dá)到*效果。
　　單端、差分或多模
　　示波器在測(cè)量信號(hào)時(shí)以一個(gè)公共參考點(diǎn)(即接地)作為基準(zhǔn)。使用示波器和標(biāo)準(zhǔn)單端探頭測(cè)得的信號(hào)，等于被測(cè)器件的特定點(diǎn)與接地之間的電勢(shì)差。
　　如果您需要測(cè)量電路中不同元器件上的電壓，而這些元器件未與接地連接，那么您需要進(jìn)行差分測(cè)量。對(duì)此，您需要使用差分探頭。由于差分探頭內(nèi)的差分放大器會(huì)放大兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)之間的信號(hào)差，因此，它會(huì)抑制兩點(diǎn)上共有的電壓，并將兩個(gè)點(diǎn)之間的電勢(shì)差提取到示波器的輸入。
　　差分探頭是高帶寬示波器用戶的常用工具，但該探頭很難顯示組成差分信號(hào)的單獨(dú)分量。為了測(cè)量差分信號(hào)的單端和共模分量，用戶迫切需要一款具有高速數(shù)據(jù)信號(hào)測(cè)量功能的示波器探頭。新型多工作模式示波器探頭，例如是德科技的 InfiniiMode 差分探頭，提供了多種工作模式，可以通過單次連接來測(cè)量差分信號(hào)的單端、差分和共模性。
　　帶寬
　　示波器和探頭的帶寬被定義為幅度降低 3dB 時(shí)的頻率響應(yīng)。大多數(shù)帶寬指標(biāo)為 1 GHz 或更低的示波器或探頭通常具有所謂的高斯響應(yīng)，在 -3dB 頻率約三分之一處開始呈現(xiàn)緩慢的滾降特性。帶寬指標(biāo)超過 1 GHz 的示波器通常具有zui平坦的頻率或磚墻響應(yīng)，并在 -3dB 點(diǎn)附近具有更為陡峭的滾降特性。
　　例如，如果您將具有相同帶寬頻率的正弦波放入探頭，那么，您從 1 V 峰-峰值正弦波得到的 -3dB 帶寬在探頭輸出端約為 0.7V 峰-峰值。因此，在 -3dB 點(diǎn)，該正弦波的幅度測(cè)量有大約 30% 的誤差。
　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，探頭(或示波器)帶寬應(yīng)大于或等于您系統(tǒng)上zui快信號(hào)帶寬的 3 倍到 5 倍，以免造成信號(hào)頻率分量的衰減。因此，您必須首先確定哪些是具體信號(hào)的zui快上升或下降時(shí)間，并從中推算出信號(hào)帶寬。如果您參考的是特定的通信標(biāo)準(zhǔn)，那么您應(yīng)該能夠找到該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于zui快上升/下降時(shí)間做出的規(guī)定。確定zui快上升/下降時(shí)間之后，請(qǐng)使用以下公式，根據(jù)您所采用的閾值來確定信號(hào)的帶寬。對(duì)于 10% - 90% 的測(cè)量，
　　
　　高斯帶寬*TR = 0.35
　　
　　磚墻帶寬*TR = 0.4
　　
　　請(qǐng)記住，決定信號(hào)帶寬的不是時(shí)鐘頻率，而是上升時(shí)間或下降時(shí)間。而且，探頭附件往往會(huì)對(duì)整個(gè)帶寬造成很大影響，因此也應(yīng)當(dāng)對(duì)探頭附件加以考慮，以優(yōu)化探頭的帶寬。
　　探頭負(fù)載
　　當(dāng)您將示波器探頭與電路相連接時(shí)，探頭成為被測(cè)電路的一部分，探頭的電氣特性會(huì)對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)和被測(cè)器件的操作帶來影響。探頭將電阻、電容和電感負(fù)載引入到被測(cè)器件。
　　在探頭負(fù)載的這三個(gè)來源中，電容性負(fù)載往往zui麻煩，它會(huì)影響到帶寬、上升或下降時(shí)間和延遲。電容性負(fù)載通常會(huì)改變被測(cè)波形的形狀。
　　這里有一個(gè)被測(cè)器件的圖表和與被測(cè)器件相連的探頭的簡化電氣模型。在理想情況下，V輸入(探頭輸入端的電壓)應(yīng)當(dāng)與 V 源(被測(cè)器件在探測(cè)之前的電壓)相同。在現(xiàn)實(shí)中，由于探頭與被測(cè)器件相連，被測(cè)器件和探頭的阻抗決定了探頭輸入端的電壓。這是一個(gè)簡單的電阻分壓器電路。
　　
　　在直流電路上，探頭的電阻決定了負(fù)載特性，而探頭的容抗對(duì)測(cè)量沒有幫助，因?yàn)橹绷鞯娜菘?Xc)是無限的。然而，隨著頻率升高，容抗變小，成為負(fù)載的主要來源，探頭從被測(cè)器件上汲取越來越多的能量。
　　現(xiàn)代高帶寬探頭采用 DSP(數(shù)字信號(hào)處理)校正技術(shù)，以確保平坦的頻率響應(yīng)特性。然而，探頭負(fù)載特性是以物理方式確定的，并且仍然影響被測(cè)器件的操作。大多數(shù)制造商會(huì)對(duì)探頭的輸入電阻和電容大小做出規(guī)定，這些值也決定了負(fù)載特性。示波器探頭校正濾波器可以調(diào)整頻率響應(yīng)，使示波器屏幕上的波形看起來更加平坦，但即使校正探頭之后，實(shí)際探頭負(fù)載也還是會(huì)影響到測(cè)量性能。我們無法違抗物理定律。
　　
　　探頭噪聲
　　
　　許多工程師都關(guān)注探頭/示波器的固有噪聲對(duì)測(cè)量的影響。有多種因素會(huì)對(duì)測(cè)量的噪聲系數(shù)產(chǎn)生影響。不過，您要考慮的一個(gè)zui重要的特性是信噪比。通常，探頭的衰減比越小，會(huì)導(dǎo)致信噪比越高、噪聲越低，但同時(shí)，它會(huì)帶來較低的輸入電阻、較低的動(dòng)態(tài)范圍和較低的共*圍等。這之間有一些權(quán)衡。評(píng)測(cè)探頭噪聲量的一種簡單方法是檢查衰減比和探頭數(shù)據(jù)表或手冊(cè)中規(guī)定的探頭的噪聲電平。
　　在理解探頭噪聲特性時(shí)，要注意的一個(gè)方面是，示波器探頭制造商的探頭噪聲通常為其 ein(等效輸入噪聲)。一些制造商通常將這個(gè)指標(biāo)稱為等效輸入噪聲的“XmVrms”。其他人將其稱為噪聲頻譜的“nV/rtHz”。通過代入探頭帶寬或使用這個(gè)公式，我們可以將一個(gè)數(shù)量轉(zhuǎn)換為另一個(gè)數(shù)量；噪聲頻譜＝ein/sqrt(帶寬)。兩者都是以探頭輸入為基準(zhǔn)的探頭噪聲特性， 與示波器屏幕上顯示的值可能有所不同。
　　測(cè)量系統(tǒng)由示波器和探頭組成，表征測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生的基線噪聲，并驗(yàn)證所使用的工具適合于手頭的任務(wù)是一種很好的做法。首先，設(shè)置示波器和探頭，因?yàn)樗鼈儗⒏鶕?jù)電壓/格、時(shí)基和連接附件使用，然后短接輸入，并對(duì)基線噪聲進(jìn)行測(cè)量。如果基線噪聲的測(cè)得值高于您所期待的本底噪聲，那么您可能需要尋找符合您需求的另一個(gè)測(cè)量解決方案。
　　
　　探針附件
　　
　　測(cè)量系統(tǒng)的性能由其zui薄弱的環(huán)節(jié)決定。示波器或探頭的帶寬始終是關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，但是，測(cè)量系統(tǒng)不只有示波器和探頭。
　　事實(shí)上，示波器往往“不”是測(cè)量系統(tǒng)中zui薄弱的環(huán)節(jié)。測(cè)量系統(tǒng)還包括探頭、電纜、連接器和夾具。這些元素中的每一個(gè)都有可能比示波器帶來更大的帶寬損耗。而與探頭和探頭附件不一樣的是，電纜和連接器通常具有非常低的損耗。
　　如果您看到高帶寬探頭在探針處具有比同類探頭明顯更長的輸入導(dǎo)線，就有理由懷疑其會(huì)造成頻率響應(yīng)變異和退化。一般情況下，探針的輸入線或?qū)Ь€越長，它對(duì)帶寬下降、負(fù)載增加的影響也就越大，造成非平坦的頻率響應(yīng)，并導(dǎo)致在掃描帶寬和探頭連線以及環(huán)境發(fā)生改變時(shí)產(chǎn)生更多的變化。由于該系統(tǒng)的帶寬為 1 GHz 以上，在判定系統(tǒng)性能時(shí)，探針效應(yīng)可能會(huì)發(fā)揮更重要的作用。探針處可能出現(xiàn)非常顯著的探頭偏差。如果可能的話，請(qǐng)保持探針引線盡可能小，并保持連接的環(huán)路面積盡可能小。而且，如果使用單端探頭的話，請(qǐng)保持低電感接地連接長度短、厚度大。
　　
　　探頭響應(yīng)校正
　　
　　對(duì)于高帶寬有源探頭而言，探頭響應(yīng)校正已變得日漸普遍。探頭zui常見的校正方法是直流調(diào)整，它又引起探頭的直流增益和偏置的調(diào)整。這種方法已用于大量的無源和有源探頭，以便對(duì)直流增益和偏置系數(shù)實(shí)施妥善補(bǔ)償。
　　隨著示波器性能提升到幾 GHz 水平，直流校正方法不足以用于高頻響應(yīng)的表征和校正。交流校正是指隨著頻率變化的校正方案，旨在調(diào)整探頭的交流響應(yīng)特性，使之與理想探頭的特性一致，所具有的平坦頻率響應(yīng)達(dá)到其額定帶寬(-3dB 點(diǎn))。在探頭、探頭前端附件和示波器的發(fā)展過程中，制造商準(zhǔn)確地測(cè)量多個(gè)器件的 S 參數(shù)，對(duì)其特性求平均值，并創(chuàng)建出代表常見探頭和示波器系統(tǒng)的校正過濾器。這種形式的校正使得標(biāo)稱校正的準(zhǔn)確度顯著提升，且不會(huì)給示波器用戶帶來其他任何不便。
　　不過，關(guān)于探頭校正還有一個(gè)重要因素需要牢記在心。探頭校正方法對(duì)探頭標(biāo)準(zhǔn)配置和制造商所提供的探針附件加以校正。某些示波器用戶會(huì)打造自身的定制探針，或?qū)ζ湓O(shè)計(jì)目的進(jìn)行修改。探針的變化會(huì)使得探頭的特性發(fā)生急劇變化，不再能通過工廠校正來捕獲并校正。
　　
　　交流校正方法使平坦頻率響應(yīng)提高到探頭的額定帶寬
　　
　　*的技術(shù)，使探頭系統(tǒng)朝著更高的性能發(fā)展，為用戶提供更多的選擇。如果探頭的設(shè)計(jì)不能用于建立具有良好信號(hào)完整性的連接，那么探針下游的昂貴設(shè)備也于事無補(bǔ)。這篇文章概要介紹了選擇和使用探頭的實(shí)際考量、克服測(cè)量挑戰(zhàn)以及驗(yàn)證探頭測(cè)量結(jié)果并樹立測(cè)量信心的方法。