1、泰克示波器基礎知識培訓,培 訓 課 程 2 示波器的探頭技術,示波器探頭技術及應用,示波器,探頭,DUT,什么是探頭？,在儀器與待測電路之間聯(lián)結的導體，可能是： 一段導線 一個表筆 電纜 傳感器，變送器 探頭。 探頭的定義： 用以從待測電路獲取最小的能量，并以最大的信號保真度傳送至測量儀器的設備。,探頭如何影響測量,脈沖階躍響應 頻率響應曲線,各種應用環(huán)境,先進的數(shù)字和模擬設計,電力電子研究,通用電子與通訊研究,安全 高電壓/電流 瞬時功率 間隙事件 毛刺,尖峰脈沖 諧波測量,分析 慢信號 長周期 報告生成,高速 不常見的異常事件 密集的時序容限 精確/信號重現(xiàn) 低負載 先進的觸發(fā) 毛刺,幅度

2、異常,亞穩(wěn)態(tài),高速 低信噪比 精確/信號重現(xiàn) 低負載 先進的觸發(fā)能力,基礎研究,復雜信號 不確定事件 低信噪比 分析 先進的觸發(fā) 數(shù)據資料,KV,10X,集成測量環(huán)境 - 探頭是儀器,高阻，低負載,高壓差分測量,小信號差分測量,直接讀出電流數(shù)值,uV,A,FET,直接讀出 安培和瓦,高性能無源探頭,低噪聲,安全的浮地測量,最小電路 影響,匹配示波器,Amps Watts Volts,O/E,光電轉換器,直接讀出光功率mW,探頭的類型,電壓 邏輯 電流 溫度 光電,無源 有源,低阻 高阻 差分,差分,無源 有源,無源 有源,AC DC,無源電壓探頭,電壓探頭,理想的電壓探頭,理想的探頭將不影響信

3、號的測量 帶寬無限 零輸入電容 無窮大輸入電阻 無限動態(tài)范圍 衰減為 1 零延時 零相移 機械尺寸與待測點十分吻合,Rin = Cin = 0,cable,電壓探頭的等效電路,探頭對被測點的影響,不加探頭 Gain = - RC RE 加探頭,f0 = 1,Gain = -(RC|RP) RE,f0 = 1,Vcc,Cc,Rc,PROBE,RP,CP,RE,VIN,NOTE: Vcc is an AC Ground,2 p RCCC,2 p (RC|RP)(CC+CP),探頭對被測點的影響,例如：Rc10K Re10 Cc= 100pF Rp1M Cp=20pF 原電路增益和截止頻率： 增益

4、1000 截止頻率 1/2 *10k *100pF=160KHz 接入探頭后的增益和截止頻率： 增益 991 截止頻率 1/2 *9.91k *120pF=134KHz,1:1無源探頭 (導線),優(yōu)點: 1X (無衰減) 價格便宜 缺點: 端接 輸入阻抗很低,探頭端,探頭電纜 8 - 10 pF/ft* 1.5 ns/ft,SCOPE,20 pF,1 MW,非端接 非常高的反射 非常高的輸入電容 低的帶寬,6 feet,地線,* 典型的導線探頭：高校實驗室的鱷魚夾,低阻匹配探頭,由于電纜被它的特性阻抗終端, 輸入端可看成50 W , no L or C. 不需要補償 0.5 pF 電容是一個加

5、速電容用于補償電纜的集膚效應 (skin-effect).,450 W,0.5 pF,SCOPE,50 W,GROUND,CABLE,低阻匹配探頭,優(yōu)點 低輸入電容C 帶寬高 加端接后與 50 W 和 1 MW 兼容 無須補償 缺點 輸入電阻低 R 必須端接 50 W 典型的低阻匹配探頭 P6150,10:1 高阻無源探頭,電纜衰減引起的反射. R2C2 + SCOPE 對電纜來說不是理想的終端. C2 = 低頻補償-示波器的輸入電容的變化.,(Impedance probes, C2 is adjustable. In others, C1 is adjustable.),10:1高阻無源探

6、頭,優(yōu)點 高輸入電阻 寬動態(tài)范圍 價格便宜 堅固耐用 輸入電容小于 C vs 1X Probe 缺點 高輸入電容C 與50歐姆系統(tǒng)不兼容 必須經過補償,典型的10：1無源探頭 P6139A,無源電壓探頭重要指標,帶寬隨電壓等級提高而降低,無源電壓探頭重要指標,等效阻抗,標準附件,與各種電路連接的附件,探頭附件,泰克的無源探頭家族,1X無源探頭 P6101B 通用無源探頭10X，1 M 輸入阻抗 P3010 P6103B P6109B P6111B P6112 P6114B P6117 高性能無源探頭 10X讀出，10 M 輸入阻抗 P6131 P6133 P6134C P6136 P6137

7、P6138A P6139A P5050 模塊化無源探頭 P6105A P6106A 緩沖放大無源探頭 P6339A 小尺寸電路探頭 P6563A 1X和10X切換無源探頭 - P2200 THS700專用探頭 - P5102,探測小尺寸電路,當今的小尺寸/表面貼封電路已經非常普及,各種探頭附件應對小尺寸電路,各種探頭附件應對小尺寸電路,無源探頭選型考慮的因素,示波器 帶寬： 探頭帶寬大于等于示波器帶寬 輸入電容 探頭電容補償范圍必須覆蓋示波器的輸入阻抗 例如：P5050 倍率讀出支持 自動讀出衰減倍率，直接得到實際數(shù)值 負載效應 示波器是50 還是1M 輸入阻抗,無源探頭選型考慮的因素,應用

8、電路設計 維修 生產 測量的信號 探頭對電路的負載效應 信號上升時間 信號峰值 信號幅度,無源探頭選型考慮的因素,物理連接 探頭尺寸 探頭尖尺寸 環(huán)境因素,典型的探頭,1X Passive Probe 10X Passive Probe Z0 Passive Probe Active Probe,15 MHZ 100 MHZ - 500 MHZ 3 GHZ - 9 GHZ 750 MHZ - 6 GHZ,23 ns 3.5 ns - 700 ps 120 ps - 40 ps 4.6 ns - 100 ps,100 pF 8 pF - 13 pF 0.15 pF - 1 pF 0.4 pF -

9、 2 pF,1 M W 10 M W 500 W 100 k W - 10 M W,Type,Bandwidth,Rise Time,Input C,Input R,探頭輸入阻抗,100M,10M,1M,100k,10k,1k,100,10,1,10X Passive 11 pF/10 M,1X Passive 100 pF/1 M,Active 0.4 pF/100 k,Z0 0.15 pF/500,100,1k,10k,100k,1M,10M,100M,1G,10G,frequency,等效負載,1X Passive,30 Equivalent Gates,10X Passive,3.5

10、Equivalent Gates,Z0 Passive,.25 Equivalent Gates,Active,.5 Equivalent Gates,CMOS Drive 25 pF Load 3.0 pF per gate,其他問題,補償 系統(tǒng)的帶寬 幅度的精度與頻率的關系 接地 結構,探頭補償,探頭補償,典型的10X高阻探頭模型,探頭補償效果,補償,過補償,欠補償,1 ms/div,1 ms/div,1 ms/div,1 ms/div,1 ms/div,1 ms/div,50 kHz,50 kHz,50 kHz,探頭補償,典型的10X高阻探頭模型,Resistive center con

11、ductor cable dampens reflections. R2C2 + SCOPE are not ideal termination for cable. C2 = low frequency compensation. Scope input C varies.,C1,8 pF to 12 pF,R1,9 MW,R2,500 W,C2,7-50 pF,C3 20 pF,SCOPE,1 MW,R3,CABLE,GROUND,系統(tǒng)的帶寬,系統(tǒng)的上升時間 tr(10%90%) tr(System)=tr(scope)2+tr(probe)2 系統(tǒng)的帶寬 BW(-3dB) 1 BW(SY

12、STEM)=,(,1,BW(scope),)2 +,(,BW(scope),1,)2,泰克示波器大多是從探頭尖計算帶寬,原配探頭可以保證示波器系統(tǒng)帶寬達到標稱值,接地線效應,在實際的測量中,測量性能常常由探頭的接地線來定,而不 是探頭和儀器的帶寬或輸入阻抗.,Vsource,GROUND LEAD L,RIN,10 M,CIN,(approx. 11 pF),接地線效應,使用10X無源探頭，輸入電容10pF，6“接地線 振鈴幅度50 誤差,典型的振鈴頻率,1,2,LC,=5070Mhz OR 上升時間=75ns,接地線效應,Coaxial Cable,BNC Probe Adapter,1“G

13、round Adapter,3“Low Z Ground Lead,6“Ground Lead,No Ground Lead,The signal source is a 1ns rise time step from a 50W source.,接地線效應,消除測量噪聲的技巧,噪聲的來源：地回路噪聲 盡量使用同一交流電 使用隔離變壓器 使用阻抗穩(wěn)定網絡 使用差分探頭,消除測量噪聲的技巧,噪聲的來源：空間干擾噪聲 探頭尖與地線短接時還存在的噪聲 可以通過去掉探頭判別 可以通過短接后探測電路的方法判別噪聲來源。 盡量縮短探頭地引線 探頭導線不要與任何信號/電源線絞纏,探頭傳輸延遲,430 ns的

14、延遲 對不同類型的探頭. 同類探頭一般的延遲200ps.,應用測試,如何測量12V直流電源紋波（雜訊，Ripple）？ TDS1012如果使用別的廠牌的100MHz探頭，帶寬是多少？,有源探頭 高速電路設計調試,480Mb/s USB2.0 2.5Gb/s STM16/OC-48 800MHz RDRAM 1/2.5/3.125 GbE FC 1/2.0Gb/s 266MHz DDR 400MHz FSB 800MHz HyperTransport 1.6Gb/s Firewire 1394b 2.5Gb/s Infiniband 2.5Gb/s 3GIO/Arapahoe,技術挑戰(zhàn),您遺漏了

15、什么？,Vinl,Vinh,實際波形,Slides displayed by permission of Mentor Graphics,信號保真度 :,信號完整性: “ 我的電路是按照仿真的結果運行嗎 ?” 信號保真度: “ 我是否可以相信測量系統(tǒng)是否真是準確地再現(xiàn)了我的信號?”,“設計人員分成兩類，一類是已經遇到信號完整性問題，另一類則是將遇到信號完整性問題。” - 寫在 Sun Microsystems的白板上,測量環(huán)境,關于信號保真度的探頭問題,探頭的帶寬/上升時間 探頭的動態(tài)范圍 探頭的負載效應 探頭的接地效應 探頭的共振效應,探測挑戰(zhàn),高速信號 差分時鐘和數(shù)據 精細間距部件 電感效

16、應 接地效應 探頭負荷,有源探頭,高輸入阻抗緩沖放大器置于探頭前端用于驅動傳輸線,C1,R1,探頭,儀器,R3,C2,R2,BUFFER AMP,GROUND,CABLE,有源探頭,優(yōu)點 低輸入電容 高帶寬 高輸入電阻 R 適合 50 W 或1 MW 無須補償 缺點 造價較高 動態(tài)范圍比較小 較易損 需要供電,探頭技術的進化,TekProbeTM 探頭接口,TekProbeTM 探頭接口,基于BNC的探頭接口形式 泰克在80年代中期發(fā)明 提供有源探頭的供電 提供探頭倍率的自動識別 提供探頭類型的自動識別 提供工程單位的顯示 理論上最好的BNC系統(tǒng)的帶寬是4GHz,使用有源探頭的好處,使用簡便

17、使用相應儀器提供供電 示波器 AutoCal 功能自動補償探頭的漂移和偏置 自動讀出功能消除讀數(shù)誤差 自動端接電阻判斷，消除手動設置 (TEKPROBETM ) 更寬的動態(tài)范圍，滿足當今大多數(shù)邏輯電平測試要求 可變直流偏置，將關心的信號偏置到示波器的線性范圍。探頭的偏置可以通過匹配的儀器面板或者探頭本身的旋鈕控制,選擇有源探頭的原則,選擇有源探頭的原則,泰克TekProbe II 有源電壓探頭,P6249 5X，4GHz，20K P6245 10X，1.5GHz，1M 與TDS5000組合帶寬為1GHz P6243 10X，1.0GHz，1M 與TDS3000B，TDS5000組合的帶寬為50

18、0MHz P6205 10X，750MHz，1M,TekConnectTM 探頭接口,TekConnectTM 探頭接口,基于BMA的探頭接口形式 類似SMA的性能，改進的地線結構 系統(tǒng)的帶寬最低可以達到18GHz 增加更多的探頭示波器交互控制功能 探頭參數(shù)軟開關 探頭自動校準 串接多個設備 例如：TDS7404P7240帶寬為4GHz，自動識別P7240內部EPROM攜帶的數(shù)據，將系統(tǒng)帶寬提升為4GHz，而不是其它廠家的2.8GHz。 提供有源探頭的供電，更高的可靠性 鍍金彈簧觸點 聯(lián)結，除去非常簡便，可靠 提供探頭倍率的自動識別 提供探頭類型的自動識別 提供工程單位的顯示,TekConne

19、ctTM 有源單端探頭,P7240 4.0GHz 帶寬，2V動態(tài)范圍 P7260 6.0GHz帶寬，3V動態(tài)范圍 TCABNC，TCASMA，TCAN，TCA75 TCA-1MEG 緩沖放大器,差分探頭,所有測量是差分,看看萬用表:,特殊的情況:示波器測量,傳統(tǒng)的示波器探頭: 也是一種差分探頭，只是另一側是地電位,單端探頭在什么情況下會有問題?,參考點不是地 浮動測量 平衡信號 由于引入了交流地回路,以地作為測量參考會有問題 小信號 高頻信號,浮動測量,?,方法一:將示波器與地分開,Isolation Transformer,Line,Neutral,Ground,示波器處于危險電位,Earth Ground,SCOPE,懸浮示波器,問題 潛在的 危險 可能損壞示波器 可能損壞被測系統(tǒng) 結果是波形扭曲,測量有誤差,不要懸浮示波器!,不要斷開示波器的電源地線! 非常的危險 得到一個錯誤的測量 可能危及到示波器 過分的容性負載可能危及到被測系統(tǒng) 有安全的變通辦法!,方法二:探頭隔離,變壓器或光隔離,大地,SCOPE,+,-,寄生電容,G,E,C,V+,V-,方法三:隔離示波器,大地,電池供電,+,-,寄生電容,G,E,C,V+,V-,方法四:差分探頭,+,-,to Scope,G,E,C,V+,V-,隔離器與差分探頭比較,源的阻抗 B