如何使用低電容探頭最大限度地減少探頭負(fù)載

　　探測(cè)電路總是會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定的影響。探頭負(fù)載會(huì)改變被探測(cè)的信號(hào)，可能導(dǎo)致測(cè)量問題，甚至可能導(dǎo)致電路執(zhí)行不同的操作。減少電容負(fù)載可以幫助最大限度地減少這些影響。在本應(yīng)用中，您將了解低電容探頭如何改進(jìn)測(cè)量。

　　下面我們概述了傳統(tǒng)無源探頭的一些主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及TPP1000、TPP0500B和TPP0250等泰克產(chǎn)品如何克服與傳統(tǒng)無源探頭相關(guān)的許多挑戰(zhàn)。

　　上面我們可以看到傳統(tǒng)無源探頭的主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因?yàn)樗婕暗诫娐诽綔y(cè)。

　　以上我們看到了泰克低電容探頭與競(jìng)爭對(duì)手提供的其他傳統(tǒng)探頭相比所具有的優(yōu)勢(shì)。

　　最小化探針負(fù)載簡介

　　本應(yīng)用說明介紹了泰克的高帶寬、低電容無源電壓探頭如何降低示波器用戶的總擁有成本，提高性能和測(cè)量精度，并節(jié)省設(shè)置時(shí)間。大多數(shù)示波器標(biāo)配的無源電壓探頭提供了一種低成本的通用探測(cè)解決方案。一般來說，這些探頭缺乏有源電壓探頭的性能，但提供了堅(jiān)固耐用和寬動(dòng)態(tài)范圍適合可視化信號(hào)。表1描述了傳統(tǒng)無源探頭解決方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

　　該TPP1000，TPP0500B，和TPP0250重新定義在無源探頭類別的性能，與以前在這個(gè)類中未實(shí)現(xiàn)的規(guī)格。這些探頭設(shè)計(jì)用于泰克4、5和6系列MSO、3系列MDO、MDO3000、MDO4000和MSO/DPO5000系列示波器。

　　這種水平的性能是通過示波器內(nèi)的電路和探頭的組合獲得的。如表2所示，帶寬、輸入電容和自動(dòng)探針補(bǔ)償方面的改進(jìn)將傳統(tǒng)無源探測(cè)的缺點(diǎn)轉(zhuǎn)化為優(yōu)點(diǎn)。

　　本應(yīng)用說明將更詳細(xì)地介紹:

　　降低擁有成本

　　提高測(cè)量精度

　　縮短設(shè)置時(shí)間

　　降低擁有成本

　　標(biāo)準(zhǔn)無源探頭的局限性，特別是在1GHz系統(tǒng)上，迫使用戶購買有源探頭，這大大增加了整體投資成本，TPP1000、TPP0500B和TPP0250探頭彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無源探頭和更高性能、更高成本的有源探頭之間的差距TPP1000、TPP0500B和TPP0250具有行業(yè)領(lǐng)先的無源探頭規(guī)格和自動(dòng)化的低頻和高頻補(bǔ)償，可降低用戶的總擁有成本，使示波器投資更具價(jià)值。

　　提高測(cè)量精度

　　有幾個(gè)因素會(huì)影響探頭向示波器傳遞信號(hào)的效果，用戶應(yīng)考慮:

　　性能規(guī)格:探頭的帶寬和上升時(shí)間是多少?

　　探頭尖端的低輸入電容:探頭附件如何影響性能?

　　探頭加載:探頭在測(cè)試點(diǎn)加載信號(hào)的量是多少?

　　圖3，泰克、勒克羅伊和安捷倫標(biāo)準(zhǔn)無源電壓探頭的上升時(shí)間。

　　性能規(guī)格

　　通用無源探頭更喜歡堅(jiān)固性而不是性能。這種折衷已經(jīng)足夠了，因?yàn)檫@些探針主要用于可視化低速信號(hào)。這種折衷的另一個(gè)原因是，在制造一個(gè)堅(jiān)固耐用、高性能并能測(cè)量數(shù)百伏電壓的探頭方面存在重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　有源探頭通常以1GHz帶寬開始，測(cè)量電壓小于10V(盡管一些泰克探頭可達(dá)到40V)，并且缺乏無源探頭的堅(jiān)固性。無源探頭通常為500MHz或更低，測(cè)量數(shù)百伏特，并且堅(jiān)固耐用。TPP1000、TPP0500B和TPP0250是唯一提供高性能、寬動(dòng)態(tài)范圍和日常使用所需堅(jiān)固耐用的探頭。

　　示波器和探頭的主要性能規(guī)范是帶寬。帶寬是頻率響應(yīng)的量度，示波器主要是時(shí)域儀器。示波器上顯示的數(shù)據(jù)是幅值與時(shí)間的關(guān)系圖，在頻域上看起來很小的差異在時(shí)域上可能會(huì)有很大的影響。

　　大多數(shù)示波器用戶需要一個(gè)具有出色階躍響應(yīng)的示波器和探頭，因?yàn)樗芨玫刂甘咎筋^的輸出在示波器顯示屏上的樣子。為了正確顯示系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，將快速、干凈的階躍信號(hào)注入到測(cè)量系統(tǒng)中。探頭上升時(shí)間評(píng)估需要一個(gè)具有比探頭更快的邊緣速率的信號(hào)?？紤]圖1中的屏幕截圖，它比較了Tektronix的TPP1000探頭和LeCroy和Agilent的標(biāo)準(zhǔn)無源探頭的上升時(shí)間。

　　每個(gè)探頭連接到相同的測(cè)試夾具，利用探頭的短接地彈簧，以獲得最佳性能。如上面的屏幕截圖所示，建立了一個(gè)快速、清晰的上升時(shí)間為240ps的階躍信號(hào)，作為與探針的階躍響應(yīng)進(jìn)行比較的參考。參考信號(hào)被識(shí)別為R1，并且是白色跡線。

　　泰克公司的TPP1000具有最快的上升時(shí)間(443.6ps)，具有與基準(zhǔn)相同的幅度和形狀的波形，只有輕微的過沖。TPP1000是一款無源探頭，能夠以較快的邊緣速率捕獲信號(hào)。

　　圖4,帶長接地引線的標(biāo)準(zhǔn)無源電壓探頭的上升時(shí)間。

　　探頭尖端的低輸入電容

　　由于標(biāo)準(zhǔn)無源探頭主要用于顯示信號(hào)，大多數(shù)用戶將長探頭接地引線連接到接地連接。較長的接地引線使探針更容易在電路板上移動(dòng)到各個(gè)測(cè)試點(diǎn)，而無需連接和重新連接接地。

　　短接地彈簧提供了最好的性能，但接地可能并不總是在彈簧的范圍內(nèi)。長的接地引線，那些是6“或更長，使獲得一個(gè)接地連接更容易，但長的接地引線降低性能，由于附加的電感。

　　隨著接地引線長度的增加，添加到測(cè)量中的電感也會(huì)增加。電感和電容與頻率有關(guān)，當(dāng)探頭的電感和電容增加時(shí)，探頭的性能下降。例如，帶有6"接地引線的探頭比帶有12"接地引線的探頭具有更高的性能和精度。

　　為了解決由接地線引起的性能問題，可以選擇使用較短的接地線來降低電感，或者選擇具有較低輸入電容的探頭。TPP1000、TPP0500B和TPP0250在探頭尖端提供<4pF的輸入電容，而其他標(biāo)準(zhǔn)無源探頭產(chǎn)品提供9.5pF的輸入電容。

　　使用這些泰克無源探頭，用戶可以連接更長的接地引線，而不會(huì)因具有更高輸入電容的探頭而導(dǎo)致信號(hào)下降。圖4顯示了泰克、萊克羅伊和安捷倫標(biāo)準(zhǔn)無源探頭的階躍響應(yīng)，帶有長探頭接地引線。

　　增加長探針接地引線對(duì)性能的影響是巨大的。探頭的上升時(shí)間減少，輸出信號(hào)有振鈴，過沖增加，更大的振幅不準(zhǔn)確性。TPP1000、TPP0500B和TPP0250為用戶提供了使用更長的探頭接地的便利性，使其在可視化信號(hào)時(shí)不會(huì)明顯損失性能和精度。

　　圖5,標(biāo)準(zhǔn)無源電壓探頭的探頭負(fù)載影響。

　　探頭裝載101

　　無源探針在探針尖端規(guī)格處的輸入電容和輸入電阻非常重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響被測(cè)電路。當(dāng)一個(gè)外部設(shè)備，如探頭連接到一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，它會(huì)出現(xiàn)在信號(hào)源上的一個(gè)額外的負(fù)載，從電路中吸取電流。這種負(fù)載，或信號(hào)電流汲取，改變了測(cè)試點(diǎn)后面電路的操作，并改變了在測(cè)試點(diǎn)看到的信號(hào)。

　　理想的探頭應(yīng)該具有無窮大的阻抗，但這是不可能的，因?yàn)樘筋^必須吸收少量的信號(hào)電流，以便在示波器輸入端產(chǎn)生信號(hào)電壓。探針總是會(huì)引起一些信號(hào)源負(fù)載，挑戰(zhàn)在于盡可能保持低的負(fù)載。

　　最令人關(guān)注的負(fù)載是由探頭尖端的電容引起的。對(duì)于低頻，該電容的電抗非常高，對(duì)被測(cè)電路影響很小或沒有影響。隨著頻率的增加，容性電抗減小，并且在更高的頻率下，容性負(fù)載更高。

　　容性負(fù)載通過降低帶寬和增加上升時(shí)間來影響測(cè)量系統(tǒng)的帶寬和上升時(shí)間特性。該TPP1000，TPP0500B和TPP025提供顯著低于任何現(xiàn)有的高阻抗通用無源探頭的輸入電容。這些探頭尖端的輸入電容<4pF，明顯低于非Tek tronix探頭的9.5 pF。圖5顯示了TektronixTPP1000對(duì)LeCroy和安捷倫標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的探頭加載情況。

　　白色跡線是輸入信號(hào)波形，其他跡線顯示當(dāng)探頭連接到測(cè)試點(diǎn)時(shí)，參考波形如何變化。重要的是要記住，這幅圖像中顯示的波形不是探頭的輸出，但它們顯示了探頭如何影響測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)。

　　藍(lán)色軌跡顯示了TPP1000對(duì)源信號(hào)的最小負(fù)載影響，因?yàn)樗c參考波形緊密匹配，并且對(duì)上升時(shí)間的影響最小。非Tektronix探頭的額外輸入電容會(huì)對(duì)性能和精度產(chǎn)生影響。如上所述，容抗在較高的頻率下減小，并且容性負(fù)載隨著頻率的增加具有更大的影響。

　　一個(gè)更高的電容探頭將有更大的負(fù)載在更高的頻率，這就解釋了為什么在LeCroy和安捷倫加載信號(hào)的圓角，前沿是方波的高頻含量的位置。當(dāng)探測(cè)更快的信號(hào)時(shí)，非Tektronix探頭將更明顯地扭曲源信號(hào)并造成測(cè)量不準(zhǔn)確。

　　圖6所示,低頻探頭補(bǔ)償。

　　圖7所示。高頻探頭補(bǔ)償。

　　縮短設(shè)置時(shí)間

　　由于探頭和示波器輸入特性的變化，通用無源探頭需要低頻補(bǔ)償。用戶可能沒有意識(shí)到需要低頻補(bǔ)償，可能忘記了這個(gè)過程，或者可能為了節(jié)省時(shí)間而放棄低頻補(bǔ)償。如圖所示6,探頭輸出必須使用調(diào)整工具進(jìn)行補(bǔ)償，直到響應(yīng)平坦，如下面的"適當(dāng)補(bǔ)償"示例所示。

　　雖然低頻補(bǔ)償是所有無源測(cè)頭的必要且常見的用戶調(diào)整，但高頻補(bǔ)償通常需要由制造商的服務(wù)部門進(jìn)行調(diào)整。

　　高頻補(bǔ)償調(diào)整點(diǎn)通常是用戶無法接近的，可能需要用戶損壞外標(biāo)簽上的補(bǔ)償框，以獲得訪問權(quán)限。這種補(bǔ)償可能還需要特殊的設(shè)備，如校準(zhǔn)發(fā)生器和特殊的探頭適配器，以進(jìn)行必要的調(diào)整。如圖8所示，高頻補(bǔ)償可對(duì)前緣和長期平坦度進(jìn)行校正。

　　圖8所示,自動(dòng)低頻和高頻探頭補(bǔ)償。

　　TPP1000、TPP0500B和TPP0250連接到兼容的泰克示波器時(shí)，能夠自動(dòng)進(jìn)行低頻和高頻補(bǔ)償。補(bǔ)償TPP1000、TPP0500B和TPP0250的高頻和低頻補(bǔ)償所需的時(shí)間比手動(dòng)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)無源測(cè)頭進(jìn)行低頻補(bǔ)償所需的時(shí)間更短。

　　對(duì)于TPP1000、TPP0500B和TPPO250，當(dāng)?shù)谝淮螌⑻筋^連接到通道時(shí)，通過將探頭尖端和接地端固定到示波器的PROBE COMP引腳并選擇"Compensate Probe for"，可以輕松補(bǔ)償探頭。示例選擇如圖6所示。該過程耗時(shí)不到5秒，補(bǔ)償結(jié)果存儲(chǔ)在示波器中，以防探頭被移除并重新連接。示波器能夠?yàn)槊總€(gè)通道存儲(chǔ)多個(gè)探頭的結(jié)果。

　　波戈針

　　該TPP1000，TPP0500B和TPP0250船標(biāo)準(zhǔn)與可更換的剛性尖端和彈簧針墨盒。彈簧單高蹺針尖端是彈簧加載的，它需要更少的壓力在針上建立良好的電接觸，這意味著用戶不必按下探針尖端上的硬。由于幾個(gè)原因，使良好的接觸所需的力是一個(gè)重要的方面。首先，用戶在操作示波器時(shí)，不必把注意力集中在保持手在正確的位置上。

　　安裝彈簧單高蹺針后，探頭保持恒定的壓力，并為用戶提供良好接觸所需的壓力，當(dāng)探頭被用于可視化信號(hào)時(shí)更舒適。此外，當(dāng)接觸不良或信號(hào)未如預(yù)期出現(xiàn)在示波器上時(shí)，用戶傾向于更用力地按下探頭。這種力的增加可能會(huì)導(dǎo)致探頭不經(jīng)意地滑離測(cè)試點(diǎn)，并無意中接觸到鄰近的信號(hào)，這可能會(huì)損壞測(cè)試設(shè)備或被測(cè)器件。

　　MMCX墨盒

　　該TPP1000和TPP0500B有一個(gè)可選的提示，大大減少雜散EMI耦合，幾乎消除了接地引線電感，并重視安全的測(cè)試點(diǎn)。

　　所有這些優(yōu)點(diǎn)都通過稱為MMCX的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)射頻連接器實(shí)現(xiàn)。MMCX是一種廉價(jià)、現(xiàn)成的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接器，通常用于射頻應(yīng)用。MMCX濾芯可擰入TPP1000或TPP0500B探頭。

　　結(jié)論

　　TPP1000,TPP0500B和TPP0250重新定義了無源探頭產(chǎn)品類別中的性能，與此產(chǎn)品類別中以前未實(shí)現(xiàn)的規(guī)格，將傳統(tǒng)的無源探測(cè)缺點(diǎn)轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)。這些探頭通過提供兩種技術(shù)中的最佳技術(shù)，彌補(bǔ)了通用無源探頭和更高成本有源探頭之間的差距:高性能、低成本，能夠測(cè)量數(shù)百伏的動(dòng)態(tài)范圍;低輸入電容;以及日常使用所需的耐用性。

　　TPP1000、TPP0500B和TPP0250具有行業(yè)領(lǐng)先的無源探頭規(guī)格和自動(dòng)補(bǔ)償功能，可降低用戶的總擁有成本，并為示波器投資帶來巨大價(jià)值。

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