電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,在使用最普遍的測(cè)量?jī)x器示波器時(shí),示波器與信號(hào)正確之間連接的重要性往往被低估。不用懷疑像USB3.0高達(dá)5GBit/s高數(shù)據(jù)速率的信號(hào)測(cè)試時(shí),需要特殊的探頭和連接方法。但是,大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師會(huì)遇到中頻的信號(hào)頻率。當(dāng)處理器的時(shí)鐘頻率在約30MHz時(shí),為什么就要擔(dān)心信號(hào)完整性問(wèn)題、連接探頭的方法、或是否需要特殊的有源探頭呢?
僅僅只是看時(shí)鐘速率,好的350M帶寬無(wú)源探頭就已足夠。在探頭連接信號(hào)時(shí),在電路上加載,并影響信號(hào)。這是一種事實(shí):在示波器上看到的信號(hào)從來(lái)都不會(huì)與電路上實(shí)際信號(hào)完全相同。因此,測(cè)試時(shí),核心目的是盡量減少探頭在電路上的任何影響,盡可能真實(shí)地顯示原始信號(hào)。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),必須考慮通過(guò)接地連接、感性和容性負(fù)載施加在電路上的所有影響。
絕大多數(shù)信號(hào)失真是因?yàn)榉亲罴训慕拥剡B接。基本規(guī)則如下:盡量用最短的接地連接!但是,實(shí)際這種總體背景和常引用規(guī)則是什么呢?
探頭由一個(gè)輸入電容和電感的諧振電路組成。無(wú)源探頭輸入電容用指標(biāo)為10pF~13pF,并且很難改變。電感主要由接地連接來(lái)決定,即接地連接越短,電感就越小。降低電感將提高頻率響應(yīng),將移到一個(gè)范圍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)感興趣的頻率范圍。
這里顯示的示例:在FPGA輸出端,使用一個(gè)真正的信號(hào)。在下圖顯示內(nèi)容為:上部為整個(gè)信號(hào)、下部為斜坡極其放大的部分信號(hào)。該信號(hào)重復(fù)頻率是2.23KHz,瞧!一個(gè)不希望的對(duì)信號(hào)的影響出現(xiàn)了。由于信號(hào)是一個(gè)現(xiàn)代FPGA輸出,多虧了使用了高帶寬和存儲(chǔ)深度的示波器,可以測(cè)量斜坡,其上升時(shí)間為3.2 ns。見(jiàn)圖1
圖1:一個(gè)典型快速上升時(shí)間信號(hào)
圖2顯示了信號(hào)的帶寬與它的上升時(shí)間和允許通過(guò)測(cè)量上升時(shí)間確定的帶寬。曲線表達(dá)了以下公式:帶寬=0.35/上升時(shí)間。這是信號(hào)頻率和上升時(shí)間轉(zhuǎn)換最有效的公式。
圖2: 信號(hào)帶寬與上升時(shí)間
在該例子中,明顯信號(hào)帶寬為120MHz。如果通過(guò)有源探頭測(cè)量該信號(hào),并且改變接地連接,將會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果。為了進(jìn)行比較,下圖顯示了各種不同接地的測(cè)量結(jié)果。
圖3:各種不同接地的信號(hào)顯示
圖中最上面的波形為探頭沒(méi)有任何接地(即被測(cè)物和示波器僅通過(guò)底架相連);從上往下第二個(gè)曲線為同樣信號(hào)使用20cm長(zhǎng)的接地線后的波形;依次第三個(gè)曲線為同樣信號(hào)使用10cm長(zhǎng)的接地線后的波形;最下面的一個(gè);從上往下第二個(gè)曲線為同樣信號(hào)使用2cm長(zhǎng)的接地線后的波形。很明顯,接地線越短,產(chǎn)生的振蕩就越小,就更能顯示更符合實(shí)際信號(hào)的波形。
除了接地連接外,我們也應(yīng)考慮探頭帶寬和電路上容性加載的影響。例如:如果測(cè)試電路中為低電流CMOS技術(shù),無(wú)源探頭的電容性負(fù)載必須用特殊的措施來(lái)觀察。這樣一個(gè)13pF的電容將是一個(gè)相當(dāng)大的負(fù)荷,該技術(shù)驅(qū)動(dòng)能力采用相對(duì)較小的輸出,它會(huì)隨著著信號(hào)的增加,延遲上升和下降的時(shí)間。如果無(wú)源探頭的電容影響太大,建議使用有源探頭。圖4顯示了3個(gè)曲線:白色參考曲線使用了一根0.9pF輸入電容的有源探頭,并且盡可能短的接地連接。在通道1上的黃色曲線,使用了相同的有源探頭,但是在測(cè)量點(diǎn)上使用了一根無(wú)源探頭,無(wú)源探頭測(cè)量的波形在通道2上顯示(藍(lán)色曲線)。
圖4:不同探頭在信號(hào)上的影響
白色曲線最好地真實(shí)顯示了信號(hào),具有最短的上升時(shí)間;白色和黃色曲線間的差異,很明顯地顯示了無(wú)源探頭對(duì)信號(hào)的影響:上升時(shí)間從1.84ns到2.64ns發(fā)生了改變,接近43%;這是相當(dāng)大的,在一些電路,這可能會(huì)導(dǎo)致故障。現(xiàn)在看藍(lán)色曲線,這個(gè)影響相當(dāng)明顯:不僅影響電路里的信號(hào),而且示波器上的顯示不能真實(shí)反映實(shí)際波形。
總之,探頭的影響可由下列規(guī)則確定:有源探頭在測(cè)試點(diǎn)上的測(cè)試結(jié)果最接近真實(shí)信號(hào)(較低信號(hào)惡化)。有源探頭hold得住更真實(shí)的和更快的信號(hào),并且緊跟采用容性負(fù)載更敏感的半導(dǎo)體技術(shù)。
從以上分析中可以看出,無(wú)源探頭會(huì)帶來(lái)各種各樣的問(wèn)題,這是許多用戶都不希望的結(jié)果。最短的接地一定產(chǎn)生一個(gè)良好的測(cè)量結(jié)果。普科科技PRBTEK建議工程師們配套特別的接地彈簧(見(jiàn)圖5),盡可能進(jìn)行短接地連接。技術(shù)進(jìn)步也表明:今天,即使標(biāo)準(zhǔn)電路其運(yùn)行的上升時(shí)間已到1ns~2 ns,如果使用無(wú)源探頭,對(duì)這些的信號(hào)將非常強(qiáng)烈,因此,需要使用?1pF輸入電容、超過(guò)示波器帶寬的有源探頭。
圖5:示波器探頭接地彈簧測(cè)試
以上內(nèi)容由普科科技prbtek為您分享,如果您在選型/使用過(guò)程有什么問(wèn)題,咨詢普科科技官網(wǎng):www.prbtek.com
公司目前致力于示波器測(cè)試附件配件研發(fā)、生產(chǎn)、銷售,涵蓋產(chǎn)品包含電流探頭、差分探頭、高壓探頭、無(wú)源探頭、電源紋波探頭、柔性電流探頭、近場(chǎng)探頭、邏輯探頭、功率探頭和光探頭等。
?
審核編輯:ymf
評(píng)論
查看更多