3000字，示波器有源探頭介紹！

我們先來觀察一下用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測(cè)試1ns上升時(shí)間階躍信號(hào)的影響。使用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)1ns的階躍信號(hào)，通過測(cè)試夾具后，使用SMA電纜直接連接到一個(gè)1.5GHz帶寬的示波器上，這樣示波器上會(huì)顯示一個(gè)波形（如下圖中的藍(lán)色信號(hào)），把這個(gè)波形存為參考波形。然后使用探頭點(diǎn)測(cè)測(cè)試夾具去探測(cè)被測(cè)信號(hào)，通過SMA直連的波形因?yàn)槭芴筋^負(fù)載的影響而變成黃色的波形，探頭通道顯示的是綠色的波形。然后分別測(cè)試上升時(shí)間，可以看出無源探頭和有源探頭對(duì)高速信號(hào)的影響。

具體測(cè)試結(jié)果如下：

使用1165A 600MHz無源探頭，使用鱷魚嘴接地線：受探頭負(fù)載的影響，上升時(shí)間變?yōu)椋?.9ns；探頭通道顯示的波形存在振鈴，上升時(shí)間為：1.85ns;

使用1156A 1.5GHz有源探頭，使用5cm接地線：受探頭負(fù)載的影響較小，上升時(shí)間仍為：1ns；探頭通道顯示的波形與原始信號(hào)一致，上升時(shí)間仍為：1ns。

文章來自安捷倫公司，公眾號(hào)【工程師看?！亢笈_(tái)回復(fù)：示波器探頭

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單端有源探頭結(jié)構(gòu)圖如下，使用放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高（一般達(dá)100Kohm以上），而輸入電容較小（一般小于1pf)，通過探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm輸入阻抗。有源探頭帶寬寬（現(xiàn)在可達(dá)30GHz），而負(fù)載小，但是價(jià)格相對(duì)較高（一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價(jià)格的10%左右)，動(dòng)態(tài)范圍較?。ㄟ@個(gè)需要注意，因?yàn)槌^探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，不能正確測(cè)試。一般動(dòng)態(tài)范圍5V左右），比較脆弱，使用需小心。

差分探頭結(jié)構(gòu)圖如下，使用差分放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高（一般達(dá)50Kohm以上），而輸入電容較小（一般小于1pf)，通過差分探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm輸入阻抗。差分探頭帶寬非常寬（現(xiàn)在可達(dá)30GHz），負(fù)載非常小，具有較高共模抑制比，但是價(jià)格相對(duì)較高（一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價(jià)格的10%左右)，動(dòng)態(tài)范圍也較小（這個(gè)需要注意，因?yàn)槌^探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，不能正確測(cè)試。一般動(dòng)態(tài)范圍3V左右），比較脆弱，使用需小心。差分探頭適合測(cè)試高速差分信號(hào)（測(cè)試時(shí)不用接地），適合放大器測(cè)試，電源測(cè)試，適合虛地測(cè)試等應(yīng)用。

有源探頭附件

現(xiàn)代的高帶寬有源探頭都采用分離式的設(shè)計(jì)方法，即：探頭放大器與探頭附件部分分開。這樣設(shè)計(jì)的好處是：

1、支持更多的探頭附件，使得探測(cè)更加的靈活；

2、保護(hù)投資，最貴的是探頭放大器（一個(gè)探頭放大器可以支持多種探測(cè)方式，以前需要幾個(gè)探頭來實(shí)現(xiàn)）；同時(shí)探頭附件保護(hù)探頭放大器（探頭附件即使損壞，價(jià)格也相對(duì)便宜）；

3、這種設(shè)計(jì)方式容易實(shí)現(xiàn)高帶寬。

這些探頭附件，主要包括以下幾種：

1、點(diǎn)測(cè)探頭附件（包括：?jiǎn)味它c(diǎn)測(cè)和差分點(diǎn)測(cè)）；

2、焊接探頭附件（包括：?jiǎn)味撕附雍筒罘趾附?，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(cè)信號(hào)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、在探頭附件尖端部分會(huì)有一對(duì)阻尼電阻（一般82ohm），這對(duì)阻尼電阻的作用是消除探頭附件尖端部分的電感的諧振影響；

2、探頭尖端部分的后面是25Kohm的電阻，這個(gè)電阻決定了探頭的輸入阻抗（直流輸入阻抗即電阻：?jiǎn)味?5Kohm，差分50Kohm），這個(gè)電阻使得被測(cè)信號(hào)傳輸?shù)教筋^放大器部分的功率是非常小的，不至于對(duì)被測(cè)信號(hào)有較大影響。

3、25Kohm的電阻后面是同軸傳輸線部分，這個(gè)傳輸線負(fù)責(zé)把小信號(hào)傳輸?shù)椒糯笃?。這個(gè)傳輸線的長(zhǎng)度可以很長(zhǎng)，也可以很短，中間可以加衰減器，也可以加耦合電容。

4、同軸傳輸線連接到放大器，放大器是50ohm匹配的（差分100ohm匹配）。

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有源探頭為了保持探頭的精確度，需要工作在恒溫狀態(tài)，所以探頭放大器不能放置到高低溫箱里進(jìn)行高低溫環(huán)境下被測(cè)電路板的測(cè)試。從探頭附件結(jié)構(gòu)中可見中間的50ohm傳輸線的長(zhǎng)短不影響探測(cè)，所以可以用很長(zhǎng)的同軸電纜或擴(kuò)展同軸電纜，讓這個(gè)同軸電纜伸進(jìn)高低溫箱里進(jìn)行高低溫?fù)Q進(jìn)下被測(cè)電路板的測(cè)試。如下圖是N5450A擴(kuò)展電纜，使用N5381A焊接探頭附件，可以工作在-55°到150°溫度范圍。

使用N5450A擴(kuò)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(hào)測(cè)試的要求。

探頭及附件準(zhǔn)確度驗(yàn)證

下圖是一個(gè)例子：被測(cè)信號(hào)是一個(gè)頻率456MHz，邊沿時(shí)間約65ps的時(shí)鐘信號(hào)，分別使用不同類型的探頭和探頭附件的測(cè)試結(jié)果。

A圖是使用12GHz的1169A差分探頭和N5381A 12GHz焊接探頭附件的測(cè)試結(jié)果，幾乎完全復(fù)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)；

B圖是使用500MHz的無源探頭的測(cè)試結(jié)果，顯示的信號(hào)完全失真；

C圖是使用12GHz的1169A差分探頭和較長(zhǎng)的測(cè)試引線的測(cè)試結(jié)果，顯示的信號(hào)出現(xiàn)很大的過沖；

D圖是使用4GHz的1158A單端探頭和較長(zhǎng)的測(cè)試引線的測(cè)試結(jié)果，顯示的信號(hào)幾乎是正弦波，失真較大。

從圖中可見探頭和探頭附件對(duì)測(cè)試精確度的影響是非常大的，是我們測(cè)試高速信號(hào)應(yīng)該重點(diǎn)注意的內(nèi)容之一。那我們應(yīng)該如何驗(yàn)證探頭和探頭附件呢？

驗(yàn)證探頭和探頭附件需要使用一臺(tái)脈沖碼型發(fā)生器（如:81134A，3.35GHz速率，60ps邊沿的脈沖碼型發(fā)生器），如果示波器自帶高速信號(hào)輸出功能，也可以使用示波器的這個(gè)輔助輸出口代替脈沖碼型發(fā)生器（如:Infiniium示波器的AUXOUT端口可以發(fā)一個(gè)高速時(shí)鐘：456MHz頻率，約65ps邊沿）。另外，需要同軸電纜和測(cè)試夾具（Infiniium示波器配置的探頭校準(zhǔn)夾具可以作為探頭和探頭附件驗(yàn)證測(cè)試夾具）。測(cè)試夾具的外表是地(Ground)，里面走線是信號(hào)(Signal)，如下圖所示。使用時(shí)，通過同軸電纜把一端接到脈沖碼型發(fā)生器或示波器的輔助輸出AUXOUT端口，另外一端通過適配器連接到示波器的通道1上。

然后把被驗(yàn)證的探頭連接到通道2上，探頭通過探頭附件可以接觸到測(cè)試夾具的信號(hào)和地（如果是差分探頭，那么把+端連接到測(cè)試夾具的信號(hào)線，把-端連接到測(cè)試夾具的地上）。

1、如果探頭不接觸信號(hào)線，則屏幕上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)原始波形，存為參考波形；

2、當(dāng)用探頭探測(cè)信號(hào)線時(shí)，通道1的波形會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)變化后的波形就是被探頭和探頭附件影響后的被測(cè)信號(hào)；

3、這時(shí)，連接探頭的通道2會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波形，這個(gè)波形是探頭測(cè)試到的波形；

4、通過對(duì)比參考波形，通道1的波形，和連接探頭的通道2的波形，就可以直觀的看出或通過測(cè)試參數(shù)讀出三者的差別，可以驗(yàn)證探頭和探頭附件的影響。

下圖是實(shí)際驗(yàn)證的一個(gè)例子，圖A把示波器的AUXOUT通過同軸電纜連接到測(cè)試夾具，測(cè)試夾具的另一端通過SMA-PBNC適配器連接到示波器的一個(gè)通道上（此例連接到通道3），把探頭連接到通道1上，此時(shí)調(diào)整屏幕上的波形，使得出現(xiàn)一個(gè)邊沿階躍波形，如圖C所示，并把此波形存為參考波形。如圖B把被驗(yàn)證探頭和附件點(diǎn)測(cè)到測(cè)試夾具上，如圖D所示，屏幕上出現(xiàn)3個(gè)波形，蘭色的是參考波形，綠色的是受探頭影響后的被測(cè)波形，黃色的是探頭顯示的波形，通過測(cè)試上升時(shí)間參數(shù)，過沖參數(shù)等，可確認(rèn)探頭和探頭附件的性能。

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