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想要捕獲高速信號(hào)該怎樣選擇示波器探頭呢?

PRBTEK ? 來源:PRBTEK ? 作者:PRBTEK ? 2023-06-19 10:00 ? 次閱讀
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在高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí),示波器探頭與被測(cè)電路的接觸會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng),導(dǎo)致被測(cè)波形嚴(yán)重異常。此外,探頭還可能增加電路負(fù)載,導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生顯著變化或損壞。因此,充分了解示波器探頭對(duì)被測(cè)電路和被測(cè)波形的影響將顯著改善測(cè)量結(jié)果。

示波器探頭輸入阻抗

示波器設(shè)計(jì)師在提高取樣率、帶寬和精度方面取得了巨大進(jìn)展。為了使示波器在特定應(yīng)用程序中達(dá)到最佳性能,必須仔細(xì)選擇和操作探頭。但事實(shí)上,附件的重要性往往被忽視。探頭是被測(cè)電路與示波器之間的主要連接工具。它不僅會(huì)影響測(cè)量結(jié)果,還會(huì)影響被測(cè)電路的工作。

當(dāng)探頭與被測(cè)電路連接時(shí),相當(dāng)于在電路上增加一個(gè)負(fù)載。探頭負(fù)載會(huì)消耗額外的信號(hào)源電流,改變測(cè)試點(diǎn)后電路的工作狀態(tài),從而改變測(cè)量信號(hào)。

若要獲得精確的測(cè)量結(jié)果,探頭必須捕獲信號(hào)并提供最真實(shí)的信號(hào)顯示,在其頻率范圍內(nèi)不能增添額外的負(fù)載,或使信號(hào)源發(fā)生變化。實(shí)際上,所有的探頭都會(huì)給被測(cè)電路添加一個(gè)復(fù)雜的負(fù)載(見圖 1)。因此,選擇探頭時(shí)要將該負(fù)載值限制在可以接受的范圍之內(nèi)。

探頭技術(shù)指標(biāo)列出了輸入阻抗和電容。這兩者結(jié)合,可以改變被測(cè)電路并給其添加負(fù)載。電容器在低頻工作時(shí),相當(dāng)于一個(gè)開路電路,此時(shí)直流電阻成為形成電路負(fù)載的主要因素。電阻負(fù)載是探頭負(fù)載中影響最小的因素,因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生非線性的電路特性。

雖然低阻抗探頭泄漏的電流過多會(huì)引起非線性響應(yīng)或中斷電路工作,但目前使用的低壓、高速信號(hào)探頭已基本上解決了這個(gè)問題。

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圖 1. 示波器探頭的簡(jiǎn)易輸入阻抗模型(包含電阻、電容和電感分量)。

示波器探頭輸入阻抗

假設(shè)信號(hào)源阻抗是電阻,探頭的電阻分量會(huì)形成分壓器(由電路輸出阻抗和探頭輸入阻抗組成),這可以降低測(cè)量信號(hào)的電壓幅度但不改變其形狀(見圖 2)。探頭電阻相對(duì)于信號(hào)源阻抗越小,探頭負(fù)載所減少的測(cè)量波形電壓幅度就越多。此外,探頭阻抗相對(duì)于電路阻抗越小,流入探頭的電流就越大,對(duì)電路產(chǎn)生不良影響的幾率就越高。

當(dāng)信號(hào)頻率提高或邊沿速度降低時(shí),探頭電容的特性就相當(dāng)于一個(gè)短路電路,使電流流入低阻抗探頭。在信號(hào)的高頻階段,電容電抗是產(chǎn)生電路負(fù)載的主要因素,可能會(huì)引起電路故障,因?yàn)榇藭r(shí)電路不能驅(qū)動(dòng)足夠的電壓裕量。

電容負(fù)載是導(dǎo)致探頭相關(guān)測(cè)量誤差的主要根源,因?yàn)樗鼤?huì)影響上升和下降時(shí)間、帶寬以及邊沿到邊沿時(shí)間的測(cè)量結(jié)果。電容負(fù)載可以通過引發(fā)指數(shù)響應(yīng)(圖 3)來改變測(cè)量波形的形狀,從而消除毛刺、減少振鈴和過沖,或減緩測(cè)量邊沿速度,使其恰好可以用來完成建立保持時(shí)間的違規(guī)設(shè)置。

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圖 2. 電阻負(fù)載降低測(cè)量信號(hào)的幅度但未改變其形狀。

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圖 3. 電容負(fù)載通過引發(fā)指數(shù)響應(yīng)改變測(cè)量信號(hào)波形。

探頭傳輸響應(yīng)

影響探頭輸入阻抗并使探頭傳輸響應(yīng)發(fā)生變化的寄生參數(shù),通常被稱為探頭的傳輸響應(yīng)。這種傳輸響應(yīng)定義為探頭輸出電壓與探頭輸入電壓的比率(Vout/Vin-),通常用幅度(dB)/ 頻率圖形來顯示。

在傳輸響應(yīng)低于 -3dB 或幅度降至 70.7% 時(shí),探頭帶寬為連續(xù)頻段(圖 4)。在探頭帶寬之外的頻率上,信號(hào)幅度將過度衰減,并且使測(cè)量結(jié)果難以預(yù)測(cè)。

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圖 4. 帶寬是指當(dāng)儀器的傳輸響應(yīng)降低 3 dB 時(shí)的連續(xù)頻段。

在探頭帶寬范圍內(nèi),您可以看到探頭輸出信號(hào)與探針輸入信號(hào)非常相符,偏差最小,因此您在示波器屏幕上看到的波形就是探針輸入端的信號(hào)。

在頻域中,探頭在盡量減少對(duì)信號(hào)的影響的條件下從輸入端到輸出端傳輸信號(hào)的能力, 表現(xiàn)為在整個(gè)探頭帶寬內(nèi)傳輸響應(yīng)都非常平坦(0-dB)。但是在實(shí)際條件下這很難實(shí)現(xiàn)。當(dāng)探頭與被測(cè)電路連接后,物理連接的寄生效應(yīng)和探頭內(nèi)部元件能夠形成諧振電路,其諧振頻率低于探頭帶寬(圖 5)。該帶內(nèi)諧振將引起探頭輸出信號(hào)與輸入信號(hào)產(chǎn)生差異, 并以過沖和振鈴形式在測(cè)量波形上顯示。

下圖中的示例描述了4-GHz 探頭的輸入電壓(V 輸入)上的帶內(nèi)阻抗。請(qǐng)注意,此時(shí)探頭的輸出電壓(V 輸出)與輸入電壓不相符。輸出電壓保持平坦,而探頭傳輸響應(yīng)(V 輸出 /V 輸入)達(dá)到 5-dB 的峰值。

wKgZomSPts2AFhebAACdkNOLAcA76.jpeg

圖5 (上圖)25-Ω 系統(tǒng)中 4 GHz 探頭的輸入電壓和輸出電壓的頻率響應(yīng)。

(下圖) 探頭的傳輸響應(yīng)。輸入電壓諧振低至 3.5-GHz 時(shí),輸出電壓保持平坦,傳輸響應(yīng)達(dá)到 5-dB 的峰值。

那么當(dāng)輸入電壓諧振時(shí)輸出電壓保持平坦存在什么問題呢?難道這不是與未連接探頭時(shí)的信號(hào)情況相同嗎?這個(gè)問題問的好,但是請(qǐng)記住探頭傳輸響應(yīng)將一直處于 5-dB 的峰值,會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)失真,并且在測(cè)量波形中顯示額外的過沖和振鈴。

圖 -8 的測(cè)量是在兩端端接 50-Ω 負(fù)載的傳輸線的中點(diǎn)進(jìn)行的,信號(hào)源電阻顯示為25-Ω,并且探頭響應(yīng)與該類電路匹配。如果正在測(cè)量的電路不能提供理想的 25-Ω 信號(hào)源電阻,您將會(huì)看到探頭引起的信號(hào)失真。

可以通過實(shí)例對(duì)此類失真進(jìn)行更好的解釋說明。假如使用 100-kΩ 探頭來測(cè)量具有100-kΩ 信號(hào)源電阻的電路的電壓,并且該探頭的傳輸響應(yīng)已針對(duì)這種類型的電路進(jìn)行了修改,可以顯示出探頭“實(shí)際”輸出電壓。因此,當(dāng)您將探頭連接到電路上,并將輸入電壓降低一半時(shí),測(cè)量波形就像未連接探頭時(shí)一樣顯示全電壓幅度。

但是,當(dāng)探頭與具有 50-kΩ 信號(hào)源電阻的電路連接會(huì)發(fā)生什么情況呢?探頭的傳輸響應(yīng)仍然會(huì)改變測(cè)量波形,顯示的波形電壓比探頭輸入端的實(shí)際電壓高 33%。

最佳的探頭可以保證對(duì)被測(cè)電路的影響最小,并且從輸入端到輸出端傳輸?shù)碾妷菏д孀钚?。這樣您就可以觀察探針處的信號(hào)。

帶寬和上升時(shí)間注意事項(xiàng)

在選擇示波器和探頭時(shí),必須了解帶寬極限值,因?yàn)樗鼈冇锌赡苡绊憸y(cè)量精度。帶寬是指測(cè)量系統(tǒng)的傳輸響應(yīng)引起輸出電壓幅度從參考電平降低 -3-dB(70.7%)時(shí)的頻率(圖 4)。那么您的示波器和探頭需要的帶寬是多少呢?

通過連續(xù)正弦波傳輸?shù)男盘?hào)由單一頻率分量組成,即基礎(chǔ)頻率。正弦波頻率越接近測(cè)量系統(tǒng)的帶寬極限值,測(cè)量幅度衰減的越多。在系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi),預(yù)計(jì)測(cè)量正弦波的幅度有 30% 的錯(cuò)誤。因此在進(jìn)行精確幅度測(cè)量時(shí),您應(yīng)該選擇基本帶寬是信號(hào)基礎(chǔ)頻率 3 倍的示波器和探頭。

與只包含單一頻率分量的正弦信號(hào)不同,數(shù)字信號(hào)在多個(gè)頻率上包含廣泛的頻譜分量, 以形成具有快速邊沿速度的方波。對(duì)于數(shù)字信號(hào),頻譜內(nèi)容主要由邊沿速度來確定,而不是取決于信號(hào)重復(fù)率。對(duì)數(shù)字信號(hào)邊沿頻率的保守估計(jì)為:

F = 0.5/(上升時(shí)間)

通常,估計(jì)的頻率稍高于實(shí)際頻率。

數(shù)字信號(hào)還具有非常大的 3 階和 5 階頻率諧波。這些高頻分量的衰減將導(dǎo)致上升時(shí)間和下降時(shí)間測(cè)量結(jié)果慢于實(shí)際時(shí)間。因此,為了提高上升時(shí)間和下降時(shí)間測(cè)量的精度,您應(yīng)該選擇帶寬是數(shù)字信號(hào)上升時(shí)間頻率三倍或五倍的示波器和探頭。

帶寬和上升時(shí)間注意事項(xiàng)

既然我們知道了準(zhǔn)確捕獲信號(hào)的帶寬要求,那么如何確定示波器和探頭的系統(tǒng)帶寬呢?

所有類型的探頭都有帶寬極限值,因此存在一個(gè)可以通過探頭的固有最短信號(hào)上升時(shí)間, 該時(shí)間可以通過下列公式來計(jì)算:

上升時(shí)間 = 0.35/ 帶寬

上升時(shí)間是指波形從最終值的 10% 轉(zhuǎn)變?yōu)?90% 時(shí)所需要的時(shí)間。探頭的最短上升時(shí)間和下降時(shí)間(在探頭特性中有詳細(xì)說明)表示當(dāng)輸入信號(hào)為上升時(shí)間等于零的階躍信號(hào)時(shí),探頭輸出信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間。通過觀察 Keysight 1158A 探頭輸入和輸出信號(hào)可以看到這一點(diǎn)(圖 6)。

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圖 6. 探頭的最短上升時(shí)間會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

示波器還會(huì)有獨(dú)立的帶寬和上升時(shí)間極限值。通常認(rèn)為示波器和探頭的帶寬大小應(yīng)該相等。但是,示波器帶寬和探頭帶寬的關(guān)系并非如此簡(jiǎn)單。

示波器和探頭組成測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)的傳輸響應(yīng)將包含探頭傳輸響應(yīng)和示波器傳輸響應(yīng)。這些響應(yīng)組合將決定測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間和帶寬,通??捎梢韵鹿接?jì)算得出:

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這些公式適用于計(jì)算示波器和探頭響應(yīng)按照高斯定律衰減時(shí)的系統(tǒng)帶寬和上升時(shí)間(圖7)。

如果該響應(yīng)不符合高斯定律,您必須更深入地查看探頭響應(yīng),從而獲悉信號(hào)如何從探針傳輸?shù)绞静ㄆ鬏斎攵?。只要探頭響應(yīng)平坦,即 Vout/Vin = 0-dB,傳輸?shù)绞静ㄆ鬏斎攵说男盘?hào)就與探針輸入信號(hào)完全相同。

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圖 7. 高斯傳輸響應(yīng)與 Keysight 1158A 探頭迅速衰減響應(yīng)的對(duì)比。

結(jié)論

隨著電子設(shè)備的頻率不斷提高,選擇適合的示波器探頭成為決定測(cè)量結(jié)果和被測(cè)電路工作的關(guān)鍵因素。

在選擇新探頭時(shí)需要考慮以下因素:

檢查探頭輸入阻抗并考慮其對(duì)電路的影響。在高頻下負(fù)載具有越來越重要的影響,請(qǐng)務(wù)必使用盡量短的接地引線。

探頭在整個(gè)帶寬內(nèi)應(yīng)具有平坦的傳輸響應(yīng),否則會(huì)引起測(cè)量結(jié)果失真。平坦的傳輸響應(yīng)可以保證探頭輸出信號(hào)與探針輸入信號(hào)完全相符,并將其完整地傳輸?shù)绞静ㄆ鳌?/p>

最佳測(cè)量結(jié)果取決于探頭和連接,所以明智地選擇和恰當(dāng)?shù)厥褂锰筋^阻尼附件可以改善測(cè)量結(jié)果的精度及可重復(fù)性。

示波器和探頭共同工作形成完整的測(cè)量系統(tǒng)。充分了解探頭對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶寬的影響, 可以幫助您更胸有成竹地選擇最適合自身應(yīng)用的示波器和探頭。

最佳的探頭可以保證對(duì)被測(cè)電路的影響最小,并且從輸入端到輸出端傳輸?shù)碾妷菏д孀钚 ?/p>

以上就是關(guān)于如何選擇示波器探頭來捕獲高速信號(hào),如您使用中還有其他問題,歡迎登錄西安普科電子科技。

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