示波器原理（二）

來源：深圳市樂買宜電子有限公司 2021年11月17日 17:06

四、有源探頭附件

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

支持更多探頭配件，使檢測更加靈活;
保護投資，最昂貴的是探頭放大器 (一個探頭放大器可以支持多種檢測方法，這以前需要幾個探頭來實現(xiàn)); 同時，探頭附件保護探頭放大器 (即使探頭附件損壞，價格也相對便宜);
這種設(shè)計方法易于實現(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(jié)構(gòu)如下圖所示：
1、探頭附件的部分會有一對阻尼電阻 (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^放大器部分的被測信號的功率非常小，從而不會對被測信號產(chǎn)生很大的影響。
3、在25kohm的電阻后面是同軸傳輸線，它負責將小信號傳輸?shù)椒糯笃?。這條傳輸線的長度可以很長也可以很短?？梢栽谥虚g添加衰減器或耦合電容器。
4、同軸傳輸線連接到放大器，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)境下測試被測電路板。從探頭附件結(jié)構(gòu)可以看出，中間50歐姆傳輸線的長度不影響檢測，因此可以使用長同軸電纜或擴展同軸電纜，讓該同軸電纜伸入高低溫盒，用于在高低溫切換下測試被測電路板。下圖顯示了N5450A擴展電纜。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)境下的頻響曲線如下圖所示，可見能夠滿足高速信號測試的要求。

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(jié)果。

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

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

圖20不同探頭附件測試結(jié)果對比

從圖中可以看出，探頭和探頭附件對測試精度有很大影響，這是我們在測試高速信號時應(yīng)該注意的內(nèi)容之一。我們應(yīng)該如何驗證探頭和探頭附件？

驗證探針和配件，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)。如果示波器來了對于高速信號輸出功能，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)送高速時鐘: 456MHz頻率，約65PS邊緣)。此外，還需要同軸電纜和測試夾具 (配置有Infiniium示波器的探頭校準夾具可用作驗證測試夾具的探頭和探頭附件)。測試夾具的外表面是接地的，內(nèi)部布線是信號，如下圖所示。使用時，一端通過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，另一端通過適配器連接到示波器的通道1。

圖21探頭驗證夾具

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

1、如果探頭未接觸信號線，屏幕上將出現(xiàn)原始波形，該波形存儲為參考波形;
2、當使用探頭檢測信號線時，通道1的波形會發(fā)生變化。改變的波形是受探頭和探頭附件影響的測量信號;
3、此時，連接探頭的通道2中會出現(xiàn)波形，這是探頭測試的波形;
4、通過比較參考波形、通道1的波形和連接到探頭的通道2的波形，您可以通過測試參數(shù)直觀地看到或讀出這三個參數(shù)之間的差異，您可以驗證探頭和探頭附件的影響。

圖22探頭驗證連接和原理

下圖顯示了實際驗證的示例。圖A通過同軸電纜將示波器外的AUX OUT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通道 (此示例連接到通道3)，并且探頭連接到通道1。此時，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，并將該波形存儲為參考波形。如圖B所示，已驗證的探針和附件是測試夾具的點測量。如圖D所示，屏幕上出現(xiàn)3個波形，藍色是參考波形，綠色是受探頭影響的測量波形，黃色是探頭顯示的波形。通過測試上升時間參數(shù)和超速參數(shù)，可以確認探頭和探頭附件的性能。

圖23探頭驗證實例

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