示波器原理（二）

2021-07-13 来源： YIQIFUWU宜器服务网阅读量 :

四、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:

支持更多探头配件，使检测更加灵活;
保护投资，最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);
这种设计方法易于实现高带宽。

图16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、探头附件的尖端部分会有一对阻尼电阻 (通常为82ohm)，用于消除探头附件尖端部分电感的共振效应;
2、探针尖端后一部分是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)。

图17有源探头附件的结构

为了保持探头的精度，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。

图18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。

图19高低温探头在高低温下的频响

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。

图20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精度有很大影响，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。

图21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。

图22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。

图23探头验证实例

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