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示波器探测执行效能最隹化的8大秘诀
恰当的探棒是可靠测量的第一步

【作者: 王岫晨】2019年04月12日 星期五

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图一 : 选择恰当的探棒是执行可靠测量的第一步。而如何使用探棒,也会影响获得有用的测量结果。
图一 : 选择恰当的探棒是执行可靠测量的第一步。而如何使用探棒,也会影响获得有用的测量结果。

探测技术对於高品质的示波器测量来说,是非常重要的。而探棒通常是示波器测量链中的第一环。如果探棒的性能不足,就会在示波器上看到失真讯号或误导讯号。为测试应用选择恰当的探棒是执行可靠测量的第一步。而如何使用探棒,也会影响执行精确测量的能力,以至於影响获得有用的测量结果。本文将透过8个重要秘诀,帮助工程师为自己的应用选择适当探棒,提高示波器探测能力,并避免最常见的探测陷阱。


秘诀1 选择被动或主动探棒

对於低於600-MHz的中低频测量来说,被动高阻抗探棒是很好的选择。这些探棒坚固耐用且价格经济,具有大於300 V的宽动态范围和高输入阻抗,因此可与示波器的输入阻抗相匹配。不过,和低阻抗被动探棒或主动探棒相比,被动探棒具有更高的电容负载,而且频宽较低。总之,对於绝大多数类比或数位电路的通用除错和故障诊断来说,高阻抗被动探棒都是一个极好的选择。


对於在宽频范围上(大於600MHz)需要执行精确测量的高频应用来说,最好选用主动探棒。主动探棒比被动探棒价格较高,并且其输入电压有限,但是由於它们的电容负载显着降低,因而能更精确地观察快速讯号。


秘诀2 使用双探棒检查探棒负载

探测电路之前,先将一个探针连接到电路上的一点,然後再将第二个探棒连接到同一点。在理想状况下,会看到讯号无任何变化。如果讯号产生变化,这个变化是由探棒负载引起的。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)连接到待测电路,它能对待测讯号执行精确复制。但在现实世界中,探棒是测量的一部分,它会向电路载入负载。


如欲检查探棒的负载效应,首先要将探棒连接到待测电路或一个已知的步进讯号,另一端连接到示波器的输入端。在示波器显示幕上观察此轨迹,然後保存,再在显示幕上调用以使迹线保留在显示幕上执行比较。之後可将相同类型的另一个探棒连接到同一探测点,观察在使用两个探棒执行探测时原始迹线有何变化。为了更隹执行探测,可能需要对探测执行调整,或者使用较低负载的探棒。


秘诀3 使用前的探棒补偿

大多数探棒在设计时,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。所以在将探棒连接到示波器的输入端之前,一定要确保首先检查探棒补偿,因为此探棒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,大多数被动探棒都采用内建补偿RC分压器网路。探棒补偿是调整RC分压器的过程,以使探棒维持在额定频宽上的衰减率。如果示波器能够自动补偿探棒性能,使用该功能将会非常有用。否则,可使用手动补偿来调整探棒的可变电容。大多数示波器在前置面板上都可提供方波叁考讯号以对探棒提供补偿。


秘诀4 低电流测量秘诀

随着当前电池供电设备和积体电路变得越来越注重环保和高效能,工程师迫切需要高灵敏度的低电平电流测量能力,以确保电流消耗处於可接受的范围之内。需要精确测量功耗的主要应用,是无线行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×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。


测量由电池供电的行动设备的电流消耗,最主要的挑战是电流讯号的动态范围非常宽。行动设备通常需要在活动状态,与闲置或待机电流模式之间来回切换。可是,这种方法并不适合测量从不到1毫安培快速变到几安培的小电流, 因为钳形电流探棒的动态范围和灵敏度都非常有限,仅有几毫安培。而且,为获得更精确的测量,工程师必须不定期地对探棒执行消磁处理,以消除探棒核心的残馀磁性,并补偿钳形电流探棒的直流偏置。


秘诀5 使用差动探棒执行安全浮动点测量

示波器使用者经常需要执行浮动点测量。在这种测量中,任何测量点都不能潜在接地。在执行标准示波器测量时,探棒连接到讯号点,探针接地引线连接到电路接地,此时,示波器实际测量的是测试点和接地之间的讯号差。大多数示 波器都将其讯号接地终端(或BNC介面的外壳)连接至防护接地系统。此举可使示波器上的所有讯号均有一个共同的连接点。基本上,所有示波器测量都是相对於「接地」来说的。本质上,将接地连接器连接到任何一个浮动点都可使探测点接地,这常常造成尖峰或电路故障。那麽应如何应对这种浮动点测量问题呢,目前执行浮动点测量有一个很流行,但却不太可取的解决方案,那就是AB技术,它使用两个单端探棒和示波器的运算函数来执行浮动点测量。


秘诀6 检查共模抑制

探测时最易产生误解的问题之一,是共模抑制可能会影响测量品质。无论是单端探棒还是差动探棒,将两个探针均连接到待测物的接地,然後观察萤幕上是否有任何讯号显示都是值得的。如有讯号显示,该讯号显示的就是由於缺少共模抑制而引起的讯号受影响程度。测量由源头而非讯号造成的共模杂讯电流,可从待测物的接地流经探棒接地,直至探棒电缆遮罩。共模噪音源可能在待测物内部,也可能在其外部,例如电源线杂讯、EMI或ESD电流。单端探棒的长接地引线可能会使该问题变得非常明显。单端探棒常常会遭到缺少共模抑制的影响。差动主动探棒则可提供更高的共模抑制比,通常可高达80dB(10,000:1)。


秘诀7 检查探棒耦合

在将探棒连接至讯号时,用手抓住探棒电缆并绕圈移动。如果萤幕上的波形发生严重改变,那就说明能量就已耦合到探棒遮罩,产生了这个改变。透过使用探棒电缆上的磁芯来降低电缆遮罩的共模杂讯电流,可能有助於提高探测精准度。探棒电缆上的磁芯会生成一系列的阻抗与导体中的电阻并联。增加探棒电缆的磁芯对讯号几??没什麽影响,因为讯号通过中心导体的核心并沿着遮罩的核心返回,致使没有净讯号电流经过核心。


因此,电缆磁芯的位置非常重要。为方便起见,可尝试着将磁芯安装在示波器一端。这将使探棒变得更轻、更易於操作。不过,在将磁芯安装到电缆的探棒介面端时,磁芯的有效性将会大大降低。减少单端探棒接地引线的长度将会有 一定的帮助作用,转而采用差动探棒是最有效的措施。很多用户都不能理解探棒电缆环境的改变会造成测量结果的改变,尤其是在执行高频测量时,它会造成测量可重复性和测量品质的下降。


秘诀8 阻尼谐振

探棒性能受到探棒连接的高度影响。由於设计中讯号速度的提升,因此在连接示波器探棒时可能会发现更多过冲、振荡和其他扰动。探棒会在与元件的连接位置形成一个谐振电路。如果谐振位於示波器探棒频宽内,确定测量扰动源於电路或是探棒将变得十分困难。


(本文叁考资料:是德科技应用指南 8大秘诀更隹执行示波器探测)


应用方案

是德科技Infiniium V系列示波器


图二 : 是德科技Infiniium V系列示波器
图二 : 是德科技Infiniium V系列示波器图片来源:keysight.com

是德科技:「我们让开发工程师能够精准洞察所量测到的信号。」


全球示波器拥有12亿美元的市场规模,如此大的一块饼,当然也吸引了许多厂商竞相开发更好的产品,来获取更大的商机。而在高阶示波器市场上,是德科技也持续扮演着领导者的角色。面对高速数位讯号测试需求不断提升的情况下,是德科技也推出全新的Keysight Infiniium V系列示波器,来补足高阶示波器市场的最後一块拼图。


Keysight Infiniium V系列问世後,工程师便可又快又准确地执行所有测试,进而更快将新产品推出上市,并且增强对设计品质的自信度。


太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器


图三 : 太克科技MSO70000系列混合讯号示波器
图三 : 太克科技MSO70000系列混合讯号示波器图片来源:tektronix.com

太克科技:「这是首见的高效能整合式MSO系列产品。」


太克科技推出MSO70000系列混合讯号示波器,该公司表示,此为首见的高效能整合式MSO系列产品。这部仪器拥有多达二十个量测通道,可以4~20GHz的类比频宽和80ps 的数位通道时序解析度进行撷取。随着MSO70000的推出,太克科技现在在市场上拥有完整的混合讯号示波器产品组合;提供十七款MSO机型,从可携式的MSO2000一直到市面上快速的 20GHz MSO72004混合讯号示波器。


MSO已成为嵌入式系统工程设计的首选工具,这个领域对建立类比与数位讯号的关联有强烈的需求。现今,网路交换器和资料伺服器等嵌入式系统正采用更快速的技术,因而需要更高效能的MSO。其他如高速串列与数位射频的应用领域,也需要完整的系统能见度。随着MSO70000系列的推出,太克科技提供了良好的类比/数位撷取效能与多样化的探测方案。


罗德史瓦兹RTP示波器


图四 : 罗德史瓦兹RTP示波器
图四 : 罗德史瓦兹RTP示波器图片来源:rohde-schwarz.com

台湾罗德史瓦兹:「我们正式进军高阶示波器市场!」


R&S RTP系列在开发过程中,特别着重於量测精准度、速度和新技术,并完整地结合多种仪器功能,是研发过程中故障排除的绝隹选择,例如测试具快速数位介面或宽频无线射频传输介面的嵌入式元件。R&S RTP高效能示波器结合了讯号完整性与高撷取速率,在标准撷取模式下,每秒可量测一百万个波形,比其他同类示波器快一千倍以上,能帮助使用者更快地发现零星错误,并可即时补偿讯号源到示波器之间的传输损耗。


此外,R&S RTP 可满足高频应用量测需求,举凡航空、国防、汽车、工业和通讯等领域;同时亦适用高速数位介面测试如高速汇流排(USB、PCI Express、MIPI)、无线电或雷达等射频介面、DDR记忆体介面、电源管理元件,及简单的控制和编程汇流排。R&S持续致力於示波器市场的创新,透过发表新一代R&S RTP系列,R&S宣告正式进军高阶示波器市场。


NI PXI架构高速示波器


图五 : NI PXI架构示波器
图五 : NI PXI架构示波器图片来源:ni.com

国家仪器:「PXI架构可大幅缩短测试时间。」


NI高速示波器具有强大的仪器整合,再加上高输出PXI汇流排有助於缩短测试时间,非常适合高频宽自动化量测作业。NI高速示波器搭载了NI专利T-Clock同步化技术,可藉此建置高达34个相位同步1GS/s通道所组成的系统,并且进一步整合其他NI硬体,打造出完整的自动化混合式讯号测试系统。


大多数的自动化测试与多重工作台应用,均需要多类型的仪器,如示波器、讯号产生器、数位波形分析器、数位波形产生器,与切换器等。PXI与NI模组化仪器既有的时序与同步化功能,可同步上述的所有仪器,且不需额外接线。PXI的模组化特性大幅提升了速度,且使用者不需再耗时操作,进而提高效率。


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