示波器探头基础知识培训课件.ppt
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1、示波器探头基础知识培训,示波器探头技术及应用,示波器,探头,DUT,什么是探头?,在仪器与待测电路之间联结的导体,可能是:一段导线一个表笔电缆传感器,变送器探头。探头的定义:用以从待测电路获取最小的能量,并以最大的信号保真度传送至测量仪器的设备。,探头如何影响测量,脉冲阶跃响应频率响应曲线,各种应用环境,先进的数字和模拟设计,电力电子研究,通用电子与通讯研究,安全高电压/电流瞬时功率间隙事件毛刺,尖峰脉冲谐波测量,分析 慢信号长周期报告生成,高速不常见的异常事件密集的时序容限精确/信号重现低负载先进的触发毛刺,幅度异常,亚稳态,高速低信噪比精确/信号重现低负载先进的触发能力,基础研究,复杂信号
2、 不确定事件低信噪比分析先进的触发数据资料,KV,10X,集成测量环境 - 探头是仪器,高阻,低负载,高压差分测量,小信号差分测量,直接读出电流数值,uV,A,FET,直接读出安培和瓦,高性能无源探头,低噪声,安全的浮地测量,最小电路影响,匹配示波器,Amps WattsVolts,O/E,光电转换器,直接读出光功率mW,探头的类型,电压 逻辑 电流 温度 光电,无源 有源,低阻 高阻 差分,差分,无源 有源,无源 有源,AC DC,无源电压探头,电压探头,理想的电压探头,理想的探头将不影响信号的测量带宽无限零输入电容无穷大输入电阻无限动态范围衰减为 1零延时零相移机械尺寸与待测点十分吻合,R
3、in = Cin = 0,cable,电压探头的等效电路,探头对被测点的影响,不加探头 Gain = - RC RE加探头,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),探头对被测点的影响,例如:Rc10K Re10 Cc= 100pF Rp1M Cp=20pF原电路增益和截止频率:增益 1000截止频率 1/2 *10k *100pF=160KHz接入探头后的增益和截止频率:增益 991截止频率 1/2 *9
4、.91k *120pF=134KHz,1:1无源探头 (导线),优点:1X (无衰减)价格便宜缺点:端接输入阻抗很低,探头端,探头电缆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输入电容低的带宽,6 feet,地线,* 典型的导线探头:高校实验室的鳄鱼夹,低阻匹配探头,由于电缆被它的特性阻抗终端, 输入端可看成50 W , no L or C.不需要补偿0.5 pF 电容是一个加速电容用于补偿电缆的集肤效应 (skin-effect).,450 W,0.5 pF,SCOPE,50 W,GROUND,CABLE,低阻匹配探头,优点低输
5、入电容C带宽高加端接后与 50 W 和 1 MW 兼容无须补偿缺点输入电阻低 R必须端接 50 W典型的低阻匹配探头P6150,10:1 高阻无源探头,电缆衰减引起的反射. R2C2 + SCOPE 对电缆来说不是理想的终端.C2 = 低频补偿-示波器的输入电容的变化.,(Impedance probes, C2 is adjustable. In others, C1 is adjustable.),10:1高阻无源探头,优点高输入电阻宽动态范围价格便宜坚固耐用输入电容小于 C vs 1X Probe缺点高输入电容C 与50欧姆系统不兼容必须经过补偿,典型的10:1无源探头 P6139A,无
6、源电压探头重要指标,带宽随电压等级提高而降低,无源电压探头重要指标,等效阻抗,标准附件,与各种电路连接的附件,探头附件,泰克的无源探头家族,1X无源探头 P6101B通用无源探头10X,1 M 输入阻抗P3010 P6103B P6109B P6111B P6112 P6114B P6117高性能无源探头 10X读出,10 M 输入阻抗P6131 P6133 P6134C P6136 P6137 P6138A P6139A P5050模块化无源探头P6105A P6106A缓冲放大无源探头 P6339A小尺寸电路探头 P6563A1X和10X切换无源探头 - P2200THS700专用探头 -
7、 P5102,探测小尺寸电路,当今的小尺寸/表面贴封电路已经非常普及,各种探头附件应对小尺寸电路,各种探头附件应对小尺寸电路,无源探头选型考虑的因素,示波器带宽:探头带宽大于等于示波器带宽输入电容探头电容补偿范围必须覆盖示波器的输入阻抗例如:P5050倍率读出支持自动读出衰减倍率,直接得到实际数值负载效应示波器是50 还是1M 输入阻抗,无源探头选型考虑的因素,应用电路设计维修生产测量的信号探头对电路的负载效应信号上升时间信号峰值信号幅度,无源探头选型考虑的因素,物理连接探头尺寸探头尖尺寸环境因素,典型的探头,1X Passive Probe10X Passive ProbeZ0 Passiv
8、e ProbeActive Probe,15 MHZ100 MHZ -500 MHZ3 GHZ - 9 GHZ750 MHZ -6 GHZ,23 ns3.5 ns - 700 ps120 ps - 40 ps4.6 ns - 100 ps,100 pF8 pF - 13 pF0.15 pF -1 pF0.4 pF -2 pF,1 M W 10 M W 500 W 100 k W -10 M W,Type,Bandwidth,Rise Time,Input C,Input R,探头输入阻抗,100M,10M,1M,100k,10k,1k,100,10,1,10X Passive11 pF/10
9、M,1X Passive100 pF/1 M,Active0.4 pF/100 k,Z00.15 pF/500,100,1k,10k,100k,1M,10M,100M,1G,10G,frequency,等效负载,1X Passive,30 Equivalent Gates,10X Passive,3.5 Equivalent Gates,Z0 Passive,.25 Equivalent Gates,Active,.5 Equivalent Gates,CMOS Drive 25 pF Load 3.0 pF per gate,其他问题,补偿系统的带宽幅度的精度与频率的关系接地结构,探头补偿,
10、探头补偿,典型的10X高阻探头模型,探头补偿效果,补偿,过补偿,欠补偿,1 ms/div,1 ms/div,1 ms/div,1 ms/div,1 ms/div,1 ms/div,50 kHz,50 kHz,50 kHz,探头补偿,典型的10X高阻探头模型,Resistive center conductor cable dampens reflections. R2C2 + SCOPE are not ideal termination for cable.C2 = low frequency compensation. Scope input C varies.,C1,8 pF to 12
11、 pF,R1,9 MW,R2,500 W,C2,7-50 pF,C320 pF,SCOPE,1 MW,R3,CABLE,GROUND,系统的带宽,系统的上升时间 tr(10%90%) tr(System)=tr(scope)2+tr(probe)2 系统的带宽 BW(-3dB) 1 BW(SYSTEM)=,(,1,BW(scope),)2 +,(,BW(scope),1,)2,泰克示波器大多是从探头尖计算带宽,原配探头可以保证示波器系统带宽达到标称值,接地线效应,在实际的测量中,测量性能常常由探头的接地线来定,而不 是探头和仪器的带宽或输入阻抗.,Vsource,GROUND LEAD L,R
12、IN,10 M,CIN,(approx. 11 pF),接地线效应,使用10X无源探头,输入电容10pF,6“接地线振铃幅度50 误差,典型的振铃频率,1,2,LC,=5070Mhz OR 上升时间=75ns,接地线效应,Coaxial Cable,BNC Probe Adapter,1“Ground 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.,接地线效应,消除测量噪声的技巧,噪声的来源:地回路噪声尽量使
13、用同一交流电使用隔离变压器使用阻抗稳定网络使用差分探头,消除测量噪声的技巧,噪声的来源:空间干扰噪声探头尖与地线短接时还存在的噪声可以通过去掉探头判别可以通过短接后探测电路的方法判别噪声来源。尽量缩短探头地引线探头导线不要与任何信号/电源线绞缠,探头传输延迟,430 ns的延迟对不同类型的探头.同类探头一般的延迟200ps.,应用测试,如何测量12V直流电源纹波(杂讯,Ripple)?TDS1012如果使用别的厂牌的100MHz探头,带宽是多少?,有源探头高速电路设计调试,480Mb/s USB2.02.5Gb/s STM16/OC-48800MHz RDRAM1/2.5/3.125 GbEF
14、C 1/2.0Gb/s266MHz DDR400MHz FSB800MHz HyperTransport1.6Gb/s Firewire 1394b2.5Gb/s Infiniband2.5Gb/s 3GIO/Arapahoe,技术挑战,您遗漏了什么?,Vinl,Vinh,实际波形,Slides displayed by permission of Mentor Graphics,信号保真度 :,信号完整性: “ 我的电路是按照仿真的结果运行吗 ?” 信号保真度: “ 我是否可以相信测量系统是否真是准确地再现了我的信号?”,“设计人员分成两类,一类是已经遇到信号完整性问题,另一类则是将遇到信号
15、完整性问题。”- 写在 Sun Microsystems的白板上,测量环境,关于信号保真度的探头问题,探头的带宽/上升时间探头的动态范围探头的负载效应探头的接地效应探头的共振效应,探测挑战,高速信号差分时钟和数据精细间距部件电感效应接地效应探头负荷,有源探头,高输入阻抗缓冲放大器置于探头前端用于驱动传输线,C1,R1,探头,仪器,R3,C2,R2,BUFFERAMP,GROUND,CABLE,有源探头,优点低输入电容高带宽高输入电阻 R适合 50 W 或1 MW无须补偿缺点造价较高动态范围比较小较易损需要供电,探头技术的进化,TekProbeTM 探头接口,TekProbeTM 探头接口,基于
16、BNC的探头接口形式泰克在80年代中期发明提供有源探头的供电提供探头倍率的自动识别提供探头类型的自动识别提供工程单位的显示理论上最好的BNC系统的带宽是4GHz,使用有源探头的好处,使用简便使用相应仪器提供供电示波器 AutoCal 功能自动补偿探头的漂移和偏置自动读出功能消除读数误差自动端接电阻判断,消除手动设置 (TEKPROBETM ) 更宽的动态范围,满足当今大多数逻辑电平测试要求可变直流偏置,将关心的信号偏置到示波器的线性范围。探头的偏置可以通过匹配的仪器面板或者探头本身的旋钮控制,选择有源探头的原则,选择有源探头的原则,泰克TekProbe II 有源电压探头,P6249 5X,4
17、GHz,20K P6245 10X,1.5GHz,1M与TDS5000组合带宽为1GHz P6243 10X,1.0GHz,1M与TDS3000B,TDS5000组合的带宽为500MHzP6205 10X,750MHz,1M,TekConnectTM 探头接口,TekConnectTM 探头接口,基于BMA的探头接口形式类似SMA的性能,改进的地线结构系统的带宽最低可以达到18GHz增加更多的探头示波器交互控制功能探头参数软开关探头自动校准串接多个设备例如:TDS7404P7240带宽为4GHz,自动识别P7240内部EPROM携带的数据,将系统带宽提升为4GHz,而不是其它厂家的2.8GHz
18、。提供有源探头的供电,更高的可靠性镀金弹簧触点联结,除去非常简便,可靠提供探头倍率的自动识别提供探头类型的自动识别提供工程单位的显示,TekConnectTM 有源单端探头,P7240 4.0GHz 带宽,2V动态范围P7260 6.0GHz带宽,3V动态范围TCABNC,TCASMA,TCAN,TCA75TCA-1MEG 缓冲放大器,差分探头,所有测量是差分,看看万用表:,特殊的情况:示波器测量,传统的示波器探头: 也是一种差分探头,只是另一侧是地电位,单端探头在什么情况下会有问题?,参考点不是地浮动测量平衡信号由于引入了交流地回路,以地作为测量参考会有问题小信号高频信号,浮动测量,?,方法
19、一:将示波器与地分开,Isolation Transformer,Line,Neutral,Ground,示波器处于危险电位,Earth Ground,SCOPE,悬浮示波器,问题潜在的 危险可能损坏示波器可能损坏被测系统结果是波形扭曲,测量有误差,不要悬浮示波器!,不要断开示波器的电源地线!非常的危险得到一个错误的测量可能危及到示波器过分的容性负载可能危及到被测系统有安全的变通办法!,方法二:探头隔离,变压器或光隔离,大地,SCOPE,+,-,寄生电容,G,E,C,V+,V-,方法三:隔离示波器,大地,电池供电,+,-,寄生电容,G,E,C,V+,V-,方法四:差分探头,+,-,to Sco
20、pe,G,E,C,V+,V-,隔离器与差分探头比较,源的阻抗B very lowA high将隔离探头联接到A端,可能危 及被测端.,隔离器与差分探头比较,W | 7 pF,W | 80 pF,差分放大器具有平衡输入阻抗交换两端不影响测量.探头隔离器没有直流泄漏至地的路径CMRR at DC,平衡信号,探头的两根引线都有信号探头的两根引线具有等效的源阻抗例子电话 线录像机的 磁头 信号,E,高速 (tr 2ns),在高速数字系统里,地线不是真正意义上的地地线上所带的问题使用单端探头甚至FET探头都无法隔离 由于:Ground seen?by IC is notground where prob
21、e is attached.Attaching probe ground to IC altersground distribution in circuit,小信号 ( 10 mv),不是真正的地在地线上噪声远大于信号,这些情形需要差分测量!,一些术语,VOut = Av*Vdm,Vout,Vdm,Vcm,-_,Av,+,+350 Volts,- 350 Volts,A,B,(VB),(VA-B),差模电压 (Vdm):difference between V+ and V- ; signal of interest共模电压 (Vcm): voltage common to both inp
22、uts; signal to reject,输入范围,共模范围 : 指输入端和大地之间的最大电压差模范围 :指+端和-端的最大电压,共模抑制比 (CMRR),指差分增益与共模增益之比,+,Av,Differential-mode gain = AvCommon-mode gain = Vcmo / VcmiCMRR = Av / (Vcmo / Vcmi),-,Vcmo,Vcmi,CMRR 例子,+,Av=10,-,Vcmo = 0.05V,Vcmi10V 60 Hz,Differential-mode gain = Av = 10Common-mode gain = Vcmo / Vcmi
23、= 0.05 / 10 = 0.005 CMRR = Av / (Vcmo / Vcmi) = 10 / 0.005 = 2000:1Often expressed in dB (20 * log10) = 66 dB,为什么高的共模抑制比是重要的?,共模信号是通过叠加在差模信号上,使得信号 的输出产生误差共模抑制比逾大,这种误差逾小,需要多大的共模抑制比?,由具体的应用决定当 VCM 相对 VDM 增加时,大的共模抑制比是很重要的,Example: VCM = +/- 350V (700 VPP) VDM = +/- 5V (10VPP)CMRR = 200:1CMerror = 700 /
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