用戶經(jīng)常忘記或忽略的一個(gè)測(cè)量陷阱是探針加載的影響。最終，您需要選擇符合以下條件的示波器探頭:

忠實(shí)地將信號(hào)從被測(cè)設(shè)備傳輸?shù)绞静ㄆ?/span>

請(qǐng)勿打擾!這意味著您要選擇一個(gè)盡可能少地改變測(cè)試點(diǎn)信號(hào)的探頭

圖1.探頭輸入規(guī)格.

如果我將15 pF的電容器從電路中的隨機(jī)位置焊接到地面，您會(huì)期望電路的行為有所不同嗎？你當(dāng)然會(huì).因?yàn)槭静ㄆ魈筋^具有電容、電阻和電感，所以它會(huì)影響您正在測(cè)量的信號(hào)，并可能影響電路的操作。為了在示波器上產(chǎn)生電壓波形，探針尖端將汲取一些電流; 它是導(dǎo)電的。由于探針尖端必須汲取一些電流，因此會(huì)干擾或加載電路。有兩種與加載電路的探針有關(guān)的探針規(guī)格，這些負(fù)載因素是輸入電阻和輸入電容。圖1中示出了探頭輸入阻抗數(shù)據(jù)表規(guī)格的示例以及如何對(duì)這些規(guī)格進(jìn)行建模的示例。

圖2.輸入電阻規(guī)格。

輸入電阻規(guī)格

讓我們首先研究輸入電阻規(guī)格。探頭和示波器輸入電阻將降低被測(cè)信號(hào)的幅度，如圖2右側(cè)波形所示。加載信號(hào)的波形形狀將非常類似于源信號(hào)，但是幅度將改變。源信號(hào)的幅度降低多少通常取決于源電阻，因?yàn)榇蠖鄶?shù)隨示波器提供的無(wú)源探頭具有非常大的10 m Ω 輸入電阻。

探頭的輸入電阻與示波器的輸入電阻相結(jié)合，使測(cè)量系統(tǒng)像分壓器一樣工作。在等式1中示出了對(duì)輸入電阻的影響的計(jì)算。

公式1.輸入電阻計(jì)算。

公式2.實(shí)際輸入電阻計(jì)算。

理想情況下，Vmeas將等于V來(lái)源因?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)處的信號(hào)將保持不變。在現(xiàn)實(shí)中，探頭和示波器的輸入電阻會(huì)對(duì)被測(cè)幅度產(chǎn)生一些影響。為了最小化電阻負(fù)載，探針通常具有大的輸入電阻，并且對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，探頭的輸入電阻不太可能導(dǎo)致顯著的探頭負(fù)載，因?yàn)榇蠖鄶?shù)與示波器一起提供的10X無(wú)源探頭具有10 m Ω 的輸入電阻。等式2示出了系統(tǒng)的大輸入電阻如何對(duì)電路造成非常小的負(fù)載或干擾。

圖3.測(cè)試設(shè)置，顯示了測(cè)試點(diǎn)處的探針加載。

如公式2所示，測(cè)量系統(tǒng)的大10mΩ 輸入電阻對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響很小。在該示例中，在4.9995v處計(jì)算測(cè)量信號(hào)，其是5 v源信號(hào)的99.99%。回顧方程式和模型有助于提供輸入電阻的學(xué)術(shù)概述，但是查看探針加載影響的**方法是顯示測(cè)試點(diǎn)處的信號(hào)如何變化。圖3顯示了使用具有50Ω 源電阻的電壓源、測(cè)試夾具和示波器的測(cè)試設(shè)置。測(cè)試夾具具有焊接到其上的200Ω 電阻器和可變電容器。您可以清楚地看到測(cè)試夾具直接連接到示波器，測(cè)試夾具的輸出連接到通道1。此設(shè)置旨在顯示測(cè)試點(diǎn)發(fā)生的情況，并觀察探針加載的影響。示波器顯示測(cè)試夾具的輸出，而不是探頭的輸出。

圖4.電阻負(fù)載的影響。

在10 m Ω 的情況下，很難看到DUT處的輸入電阻的影響。為了了解輸入電阻如何影響測(cè)試點(diǎn)處的信號(hào)，圖4顯示了焊接到測(cè)試夾具中以夸大效果的200Ω 電阻器的效果。參考波形是源信號(hào)，通道1是由200Ω 電阻器的輸入電阻加載的源信號(hào)。打開測(cè)量以觀察參考波形和加載波形的幅度和上升時(shí)間。加載波形的波形形狀與源信號(hào)的上升時(shí)間相似，但幅度已減小。

輸入電容規(guī)格

在為其應(yīng)用選擇合適的探頭時(shí)，大多數(shù)用戶通常會(huì)查看探頭的帶寬、動(dòng)態(tài)范圍，甚至輸入電阻規(guī)格。在評(píng)估探頭的負(fù)載特性時(shí)，大多數(shù)用戶會(huì)看到10 m Ω 的輸入電阻值，并得出結(jié)論認(rèn)為探頭具有足夠的負(fù)載能力。一個(gè)關(guān)鍵的探頭規(guī)格幾乎總是被忽視的是探頭的輸入電容。當(dāng)測(cè)量較低頻率的信號(hào)時(shí)，探針的電容具有非常高的電抗，并且探針負(fù)載沒(méi)有那么多。然而，隨著測(cè)量信號(hào)的頻率增加，電容性電抗減小。在較高的頻率下，探針的阻抗降低，導(dǎo)致更大的探針負(fù)載。探頭的輸入電容越大，當(dāng)測(cè)量頻率增加時(shí)，它對(duì)電路的干擾或負(fù)載就越大。

圖5.輸入電容.

輸入電容的影響顯示在圖5右側(cè)的波形上。與源信號(hào)相比，受較大輸入電容值影響的波形具有圓角的前角。大電容值的后果是嚴(yán)重的，因?yàn)樾盘?hào)的前沿包含高頻成分。當(dāng)這一關(guān)鍵信號(hào)內(nèi)容受到損害時(shí)，人們不得不質(zhì)疑測(cè)量結(jié)果是否可靠。選擇探頭時(shí)，用戶需要確定具有最低輸入電容的探測(cè)解決方案。

公式3.輸入電容計(jì)算。

使用來(lái)自圖5的簡(jiǎn)單模型，一階等式示出較大的輸入電容將導(dǎo)致顯著較慢的上升時(shí)間和較低的帶寬。基于等式3中的上升時(shí)間計(jì)算，在較大的輸入電容和較慢的上升時(shí)間之間存在明顯的關(guān)系。

圖6.電容負(fù)載的影響。

使用圖3的測(cè)試設(shè)置，焊接到測(cè)試夾具中的可變電容器現(xiàn)在將連接到信號(hào)帶狀線，以顯示探針輸入電容的影響。在將可變電容器調(diào)節(jié)到50 pf的情況下，電容性負(fù)載的影響如圖6所示。再一次，源信號(hào)被示為標(biāo)識(shí)為R1的參考波形，并且通道1是測(cè)試夾具的輸出，其是由可變電容器加載的波形。

測(cè)量結(jié)果表明，參考波形與加載波形之間的幅度和升高存在差異。電容負(fù)載的影響是顯而易見的。前沿已經(jīng)退化，上升時(shí)間明顯變慢，并且存在較小的相移。

圖7.來(lái)自Agilent無(wú)源探頭的探頭負(fù)載，輸入電容為9.5 pF。

圖8.來(lái)自Tektronix無(wú)源探頭的探頭負(fù)載，輸入電容為3.9 pF。

示波器附帶的無(wú)源探頭如何加載信號(hào)？

前面部分中的測(cè)試設(shè)置使用簡(jiǎn)單的電阻和電容組件來(lái)隔離輸入電阻和輸入電容的影響。現(xiàn)在，讓我們將注意力轉(zhuǎn)向由示波器附帶的一些無(wú)源探頭引起的輸入電容的影響。

讓我們首先檢查安捷倫無(wú)源探頭的加載效果，該探頭與示波器一起標(biāo)準(zhǔn)發(fā)貨。該探頭具有許多用戶正在尋找的規(guī)格: 500 MHz帶寬，300 V CAT II動(dòng)態(tài)范圍和10 m Ω 輸入電阻。該探頭還具有9.5 pF的輸入電容，可與其他供應(yīng)商提供的無(wú)源探頭相媲美。使用與圖3相同的測(cè)試設(shè)置，將Agilent無(wú)源探頭連接到測(cè)試夾具，如圖7左上角所示。探針尖端被施加到信號(hào)路徑，并且短接地彈簧接地。輸入電容的影響是明顯的。圖7中加載波形的前角被降級(jí)，上升時(shí)間明顯變慢。您現(xiàn)在測(cè)量的信號(hào)看起來(lái)與原始源信號(hào)非常相似。當(dāng)信號(hào)通過(guò)探頭電纜到達(dá)探頭的補(bǔ)償盒并最終到達(dá)示波器時(shí)，該劣化信號(hào)將進(jìn)一步改變。該測(cè)試信號(hào)必須由探頭和示波器重建，以使其看起來(lái)像原始信號(hào)。當(dāng)您執(zhí)行重要的電路驗(yàn)證時(shí)，這種負(fù)載或干擾將產(chǎn)生不利影響。

由于電容負(fù)載的不利影響，泰克包括一系列新的無(wú)源探頭及其示波器，具有業(yè)界**的3.9 pF輸入電容。這些產(chǎn)品是TPP1000、TPP0500B和tpp0250。將TPP0500B連接到測(cè)試夾具如圖8所示，具有低輸入電容的探頭的好處是顯而易見的。通道1上的信號(hào)是加載的波形，幾乎與源信號(hào)相同。此外，加載波形的上升時(shí)間受到的影響最小。再一次，你想用一個(gè)傷害較小的探頭進(jìn)行測(cè)量，這意味著它只會(huì)對(duì)你測(cè)量的信號(hào)產(chǎn)生最小的影響。泰克的低電容無(wú)源探頭幾乎提供了有源探頭的探頭負(fù)載優(yōu)勢(shì)。

圖9.使用Agilent和Tektronix無(wú)源探頭的電容負(fù)載比較。

圖9比較了安捷倫標(biāo)準(zhǔn)探針與泰克TPP0500B的電容負(fù)載。差異是戲劇性的。在當(dāng)今世界，信號(hào)具有更快的邊緣和更緊密的利潤(rùn)，因此設(shè)計(jì)人員必須努力建模，運(yùn)行仿真并驗(yàn)證設(shè)計(jì)。當(dāng)您在設(shè)計(jì)過(guò)程中花費(fèi)大量時(shí)間和精力時(shí)，您不想對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行第二次猜測(cè)，也不想因?yàn)闇y(cè)量不準(zhǔn)確而花費(fèi)額外的時(shí)間進(jìn)行故障排除。在這種情況下，人們將不得不質(zhì)疑探針負(fù)載的影響是否是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。

圖10.電容性負(fù)載可能會(huì)影響電路運(yùn)行.

探針的負(fù)載影響不僅可能導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，而且還可能影響電路操作。在圖10所示的示例中，探頭的大輸入電容導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法滿足關(guān)鍵的設(shè)置和保持時(shí)間要求。您還可以看到降級(jí)的前沿或振鈴如何導(dǎo)致反射，從而損害信號(hào)保真度。當(dāng)你驗(yàn)證你的設(shè)計(jì)時(shí)，你最不想做的就是與測(cè)試設(shè)備作斗爭(zhēng)。通過(guò)選擇具有低輸入電容的探針來(lái)選擇將引起較少干擾的探針是至關(guān)重要的。

結(jié)論

選擇探頭時(shí)，用戶將首先查看被認(rèn)為是帶寬和動(dòng)態(tài)范圍的橫幅規(guī)格。知識(shí)淵博的用戶甚至可以檢查輸入電阻，以確保它是一個(gè)大值。然而，經(jīng)常被忽視的關(guān)鍵規(guī)格是探針的輸入電容。使用具有較小輸入電容的探針很重要，因?yàn)樗鼘?dǎo)致較少的干擾或負(fù)載。

您可能正在使用具有較大輸入電容的探頭，并且您正在獲得所需的結(jié)果。問(wèn)題是，這些結(jié)果是真實(shí)可靠的嗎？測(cè)試點(diǎn)可能發(fā)生的事情比您考慮的要多，僅僅因?yàn)樘结樦亟四谕吹降男盘?hào)并不意味著您的結(jié)果是準(zhǔn)確的。使用具有較小輸入電容的探頭將在測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生較少的干擾或負(fù)載，這大大增加了您獲得更高精度測(cè)量的可能性