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八大技巧助您更好地进行示波器探测(上)

日期: 2016-03-05
浏览次数: 749


 


探测技术对于高质量的示波器测量至关重要,而探头通常是示波器测量链中的第一环。如果探头的性能不足,就会在示波器上看到失真信号或误导信号。为您的应用选择恰当的探头是进行可靠测量的第一步。如何使用探头也会影响您进行精确测量的能力,以至于影响您获得有用的测量结果。本应用指南介绍8个重要技巧,帮助您为自己的应用选择适当探头,提高示波器探测能力。


技巧一
选择无源探头还是有源探头?


对于中低频(小于600-MHz)测量来说,无源高阻抗探头是很好的选择。这些探头坚固耐用且价格经济,具有宽动态范围(大于300 V)和高输入阻抗,从而和示波器的输入阻抗相匹配。不过,和低阻抗(z0)无源探头或有源探头相比,无源探头具有更高的电容负载,而且带宽较低。总之,对于绝大多数模拟或数字电路的通用调式和故障诊断来说,高阻抗无源探头都是一个极好的选择。


对于在宽频范围上(大于 600 MHz)需要进行精确测量的高频应用来说,最好选用有源探头。有源探头比无源探头价格较高,并且其输入电压有限,但是由于它们的电容负载显著降低,因而能使您更精确地观察快速信号。


1.png

图1-1 用无源探头和有源探头测量具有 600 ps 上升时间的信号


在图1-1中,我们看到的是采用600 MHz示波器(Keysight DSO 9064A)测量具有500 ps 上升时间信号的屏幕快照。左图是使用Keysight N2873A 500 MHz 无源探头测量此信号的图像。右图是使用Keysight N2796A 2 GHz 单端有源探头测量同一信号的图像。两个图中的黄色迹线均是信号在探测之前的曲线。绿色迹线是探测后的信号曲线,它与探头的输入相同。紫色迹线显示的是测得信号,也可以称为探头输出。


无源探头在加载信号时会混入自身的电阻、电感和电容(绿色迹线)。或许您希望示波器探头不要影响被测件(DUT)的信号。不过,在本例中,无源探头对被测件确实有影响。被探测的信号其上升时间由原来预期的600 ps 变为4 ns,部分原因是由于探头的输入阻抗,另外还因为在测量583-MHz 信号(0.35/600 ps = 583MHz)时,探头的带宽只有500-MHz。


无源探头的电感和电容效应还会造成探头输出的过冲和波动。一些设计人员对这个数量的测量误差并不在意,但对某些设计人员来说,这个数量的测量误差是无法接受的。


我们看到,在将有源探头(例如Keysight N2796A 2GHz有源探头)连接到被测件时,该信号几乎未受影响。信号特征在探测后(绿色迹线)和探测前(N2796A 2GHz迹线)几乎完全相同。此外,信号的上升时间也未受探头的影响,始终保持在555ps。另外,有源探头的输出(绿色迹线)也和探测得的信号(紫色迹线)相匹配,测得上升时间为预期的600 ps。N2796A 有源探头的2 GHz带宽、优异的信号保真度及其低探头负载使这一切成为可能。


技巧二
使用双探头检查探头负载


探测电路之前,先将一个探针连接到电路上的一点,然后再将第二个探头连接到同一点。在理想状况下,您应看到信号无任何变化。如果信号产生变化,这个变化是由探头负载引起的。在理想状况下,示波器采用无扰线(具有无限的输入电阻、零电容和零电感)连接到被测电路,它能对被测信号进行精确复制。但在现实世界中,探头是测量的一部分,它会向电路加载负载。如欲检查探头的负载效应,首先要将探头连接到被测电路或一个已知的步进信号,另一端连接到示波器的输入端。在示波器显示屏上观察此迹线,然后保存,再在显示屏上调用以使迹线保留在显示屏上进行比较。稍后,将相同类型的另一个探头连接到同一探测点,观察在使用两个探头进行探测时原始迹线有何变化。


2.png图2-2 由长接地引线引起的探头负载


为了更好地进行探测,您可能需要对探测进行调整,或者使用较低负载的探头。例如本例中,缩短接地引线就能起到好的效果。在图2-2 中,电路接地采用18 cm(7英寸)长的接地引线。


技巧三
使用前的探头补偿


大多数探头在设计时都和特定示波器型号的输入相匹配。不过,各个示波器之间也是略有差别,甚至在同一示波器的不同输入通道之间也有差别。所以在将探头连接到示波器的输入端之前,一定要确保首先检查探头补偿,因为此探头先前可能已经过调整以便和不同的输入相匹配。为了解决这个问题,大多数无源探头都采用内置补偿RC 分压器网络。探头补偿是调整RC分压器的过程,以使探头维持在额定带宽上的衰减率。


如果示波器能够自动补偿探头性能,使用该功能将会非常有用。否则,可使用手动补偿来调整探头的可变电容。大多数示波器在前面板上都可提供方波参考信号以对探头提供补偿。您可将探针连接到探头补偿端接,再将探头连接到示波器的输入端。观察方波参考信号,使用小螺丝刀对探头进行恰当调整,以使示波器屏幕上的方波看上去像方波。


技巧四
低电流测量技巧


随着当前电池供电设备和集成电路变得越来越注重环保和高能效,工程师迫切需要高灵敏度的低电平电流测量能力,以确保电流消耗处于可接受的范围之内。需要精确测量功耗的主要应用是无线移动设备和消费类电子产品等使用电池供电的应用。为了尽量延长电池的使用时间,工程师需要最大限度降低产品在整个使用寿命中的功耗。功率定义为P = V x I。降低设备功耗的主要方法是在电源电压固定不变的情况下,减少设备的平均电流消耗。


测量由电池供电的移动设备(例如手机或平板电脑)的电流消耗,最主要的挑战是电流信号的动态范围非常宽。移动设备通常需要在活动状态(峰值电流非常高而且消耗得非常快)与空闲或待机电流模式(只消耗极少直流和交流电流)之间来回切换。图 4-1 显示了在用GSM 手机打电话时测得的电流消耗。活动状态下的电源峰值高达 2 A 左右,而空闲模式中的电流消耗极小。


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图4-1 用GSM手机打电话时测得的电流消耗


利用示波器测量电流,最简单的办法是用Keysight 1147B 或N2893A 等钳形电流探头直接监测输入被测器件的电流。


可是,这种方法并不适合测量从不到1 毫安快速变到几安培的小电流,因为钳形电流探头的动态范围和灵敏度都非常有限,仅有几毫安。以测量手机电流消耗为例,空闲状态下的电流由于受到探头噪声的掩盖而很难测量。


而且,为获得更精确的测量,工程师必须不定期地对探头进行消磁处理,以消除探头核心的残余磁性,并补偿钳形电流探头的直流偏置。额外的校准流程会使钳形电流探头更加难以使用。


插入新模板、收藏、复制,都是针对黑色方框进行操作。最新的 Keysight N2820A 系列高灵敏度电流探头可以同时满足宽动态范围和高灵敏度电流测量需求。由于当前的应用环境要求测试装置的外形必须极小,所以这些探头还具有另一个优势――只需极小的空间便能与被测器件(DUT)建立物理连接。


最新的N2820A/21A 交流/ 直流电流探头具有示波器电流探头中业界最高的灵敏度,可覆盖最低50 uA、最高5 A 的电流范围。

 

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