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被广泛使用的电子测量仪器—示波器,它的附件跟探头的工作原理是如何进行的,挑选的标准是怎样的呢?与小编一起来探索答案吧!



有源探头附件

现代高带宽有源探头采用独立的设计方法,即探头放大器与探头附件分离。这种设计的好处是:


1. 支持更多探头配件,使检测更加灵活;

2. 保护投资,昂贵的是探头放大器 (一个探头放大器可以支持多种检测方法,这以前需要几个探头来实现); 同时,探头附件保护探头放大器 (即使探头附件损坏,价格也相对便宜);

3. 这种设计方法易于实现高带宽。

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【图1探头附件】



这些探头附件,主要包括以下几种:

1、点测探头附件(包括:单端点测和差分点测);
2、焊接探头附件(包括:单端焊接和差分焊接,分离式的ZIF焊接);
3、插孔探头附件;
4、差分SMA探头附件(示波器一般直接支持SMA连接,但是如果被测信号需要上拉如HDMI,则必须使用SMA探头附件)。



探头附件的电路结构如下图所示:

1、探头附件的部分会有一对阻尼电阻 (通常为82ohm),用于消除探头附件部分电感的共振效应;
2、探针后一部分是25Kohm的电阻,它决定了探头的输入阻抗 (直流输入阻抗是电阻: 单端25Kohm,差分50Kohm),这种电阻使得传输到探头放大器部分的被测信号的功率非常小,从而不会对被测信号产生很大的影响。
3、在25kohm的电阻后面是同轴传输线,它负责将小信号传输到放大器。这条传输线的长度可以很长也可以很短。可以在中间添加衰减器或耦合电容器。
4、同轴传输线连接到放大器,放大器匹配50欧姆 (差分100欧姆匹配)。

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【图2有源探头附件的结构】


为了保持探头的,有源探头需要在恒温状态下工作,因此,探头放大器不能放在高低温箱中,以便在高低温环境下测试被测电路板。从探头附件结构可以看出,中间50欧姆传输线的长度不影响检测,因此可以使用长同轴电缆或扩展同轴电缆,让该同轴电缆伸入高低温盒,用于在高低温切换下测试被测电路板。下图显示了N5450A扩展电缆。使用N5381A焊接探头附件,可在-55 ° 至150 ° 的温度范围内工作。

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【图3高低温探头结构原理】


使用N5450A扩展电缆和N5381A探头附件,使用1169A 12GHz探头放大器,在-55°和150°环境下的频响曲线如下图所示,可见能够满足高速信号测试的要求。

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【图4高低温探头在高低温下的频响】




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,分别使用不同类型的探头和探头附件的测试结果。

图A显示了12GHz 1169A差分探头和N5381A 12ghz焊接探头附件的测试结果,几乎完全再现了测量信号;
图B显示了使用500MHz的无源探头的测试结果,显示的信号完全失真;
图C显示了使用12GHz 1169A差分探头和更长的测试引线的测试结果,并且显示的信号具有较大的过射;
D图显示了使用4GHz 1158A单端探头和更长的测试引线的测试结果。显示的信号几乎是大失真的正弦波。

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【图5不同探头附件测试结果对比】


从图中可以看出,探头和探头附件对测试有很大影响,这是我们在测试高速信号时应该注意的内容之一。我们应该如何验证探头和探头附件?


验证探针和配件,你需要使用脉冲码型发生器 (例如,脉冲码型发生器81134A,3.35GHz速度和60PS边缘)。如果示波器来了对于高速信号输出功能,您还可以使用示波器的辅助输出端口代替脉冲码型发生器 (例如,Infiniium示波器的AUX OUT端口可发送高速时钟: 456MHz频率,约65PS边缘)。此外,还需要同轴电缆和测试夹具 (配置有Infiniium示波器的探头校准夹具可用作验证测试夹具的探头和探头附件)。测试夹具的外表面是接地的,内部布线是信号,如下图所示。使用时,一端通过同轴电缆连接到脉冲码发生器或示波器的辅助输出AUX OUT端口,另一端通过适配器连接到示波器的通道1。

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【图6探头验证夹具】



然后将已验证的探头连接到通道2,探头可以通过探头附件接触测试夹具的信号和接地 (如果是差分探头,将 + 端连接到测试夹具的信号线,将-端连接到测试夹具的地面)。

1、如果探头未接触信号线,屏幕上将出现原始波形,该波形存储为参考波形;
2、当使用探头检测信号线时,通道1的波形会发生变化。改变的波形是受探头和探头附件影响的测量信号;
3、此时,连接探头的通道2中会出现波形,这是探头测试的波形;

4、通过比较参考波形、通道1的波形和连接到探头的通道2的波形,您可以通过测试参数直观地看到或读出这三个参数之间的差异,您可以验证探头和探头附件的影响。

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【图7探头验证连接和原理】



下图显示了实际验证的示例。图A通过同轴电缆将示波器外的AUX OUT连接到测试夹具,测试夹具的另一端通过SMA-PBNC适配器连接到示波器的通道 (此示例连接到通道3),并且探头连接到通道1。此时,调整屏幕上的波形,这将导致出现边缘阶跃波形,如图C所示,并将该波形存储为参考波形。如图B所示,已验证的探针和附件是测试夹具的点测量。如图D所示,屏幕上出现3个波形,蓝色是参考波形,绿色是受探头影响的测量波形,黄色是探头显示的波形。通过测试上升时间参数和超速参数,可以确认探头和探头附件的性能。

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【图8探头验证实例】