如何自製示波器探頭

2020-11-24 EDN電子設計技術

為了觀察快速變化的波形，示波器的帶寬至少要達到1GHz。遺憾的是，大多數商用電壓和電流探頭都無法在這麼高的頻率下工作。s0jednc

隨著現代電源的工作頻率越來越高，工程師們已經開始採用高頻功率開關和整流器技術。上升/下降時間為30ns到60ns的傳統平面或溝槽MOSFET開關逐漸被超結MOSFET、GaN MOSFET、SiC MOSFET和SiC肖特基整流管等開關時間不到5ns的功率開關所取代。s0jednc

為觀察如此快速的變化，通常需要帶寬至少1GHz的示波器。遺憾的是，大多數商用的電壓和電流探頭無法在這麼高的頻率下工作。普通示波器探頭的帶寬不到300MHz，電流探頭的帶寬可能只有60MHz至100MHz甚至更小。此外，高頻電壓探頭的成本通常在12000美元以上，而稍微好一點的電流探頭至少要4000美元。對於在中小規模公司上班的電源工程師來說，只有一條路：自己做探頭。設計和製作高頻電壓和電流探頭需要很好地理解射頻、寄生效應、傳輸線理論和場論。s0jednc

商用探頭的缺點

商用示波器的電壓和電流探頭極具魯棒性，設計符合人體工程學，而且非常精確，在工作頻率遠小於1GHz的許多應用中它們都能很好地工作。而新一代開關電晶體的工作頻率都超過1GHz，導致上升和下降時間都不到5ns。s0jednc

商用探頭的低帶寬極大地限制了測量精度。工程師們習慣了慢的上升和下降時間，因此很容易忽略遺漏的信息。另外，普通探頭連接到信號源會產生失真。這些連線（特別是地線）有很長一段沒有屏蔽。一段4-6英寸（10-15cm）長的地線可能會拾取來自電路或其它地方的輻射噪聲，並將噪聲注入同軸電纜形成共模信號。這種容易被忽略的信號會疊加到有用的信號上。s0jednc

圖1顯示的是一種典型的商用電壓探頭，它包含一段未屏蔽的信號或地線，會形成環形天線。這段線拾取到的噪聲電平正比於環路面積以及噪聲能量和噪聲頻譜。只需簡單地將地線夾到探頭上然後靠近目標電路板就能觀測到這種噪聲。s0jednc


圖1：普通電壓示波器探頭用一根地線夾到待測電路。s0jednc

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其實你可以自己做一個50Ω的電壓探頭，自製50Ω電壓探頭可以幫助你更好地定義和理解電路中發生的事件。自製50Ω電壓探頭的總體目標是：s0jednc

•構建一條從電路到示波器的乾淨高頻信號路徑；•沿著信號路徑提供儘可能實用的屏蔽；•能夠控制儘可能多的寄生影響。

1:1屏蔽同軸電壓探頭

對低於示波器輸入端最大額定輸入電壓的信號，可以用一段剪下來的50Ω BNC同軸電纜作為探頭。未屏蔽的中心導體和帶屏蔽的尾部長度不能超過1英寸（25mm），以便最大限度減小噪聲拾取。要想觀察特定節點的信號，可以將中心導體直接焊接到該節點上；地線應該焊接到最近的關聯地上，也就是說，不能連接到在探頭和目標節點之間有很長PCB走線的地。這種探頭只能提供從目標電路到示波器的高頻信號屏蔽。示波器的輸入終端電阻應該是1MΩ。圖2顯示了這種1:1屏蔽探頭的設計。s0jednc


圖2：基於同軸電纜的1:1屏蔽式電壓探頭。探頭上的電感（LUS）和地線（LG）會限制帶寬，但由於尺寸小，有助於減少噪聲拾取。s0jednc

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n:1 50Ω電壓探頭

n:1探頭主要用於信號幅度（包括任何尖峰）超過示波器輸入放大器最大額定電壓的情況，這種探頭製作起來稍微複雜一些。其簡化後的原理圖如圖3所示。s0jednc


圖3：簡化後的n:1電壓探頭原理圖，其中的串聯電阻RS需要一定的計算才能確定值的大小。s0jednc

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因此首先也是重要的一步是確定這個檢測電阻（RS）的大小。這可不是想像的那麼簡單，有多個因素需要考慮。s0jednc

將示波器的輸入終端電阻設為50Ω，這樣示波器內部的50Ω終端電阻就成為了分壓電路的底部電阻。你完全可以放心地認為這個電阻的精度超過0.1%。其功耗不應超過0.25W。這個額定功率決定了能夠進入示波器輸入端的最大電流值。s0jednc

其它考慮因素包括：s0jednc

•50Ω終端電阻上的信號最大幅度•串聯檢測電阻（RS）的功耗•輸入電路上的負載

所有這些因素彼此之間必須取得平衡，它們將確定示波器輸入放大器的增益設置。如果信號太低，示波器的輸入增益必須設置在小於100mV的範圍。由於輸入信號非常接近輸入放大器的本底噪聲，因此顯示的信號會帶很多噪聲，從而導致ADC輸入解析度降低。信號可能只能被ADC（假設是8位的ADC）的低四位比特捕獲，最終你會看到最低有效位（LSB）的量化步驟。這種情況難以避免，特別是對具有高降壓比的探頭。圖4顯示了一個1000:1 50Ω探頭的典型波形。s0jednc


圖4：低電平示波器跡線通常會顯示輸入信號上的量化噪聲。s0jednc

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圖5顯示了n:1電壓探頭的基本結構。s0jednc


圖5：n:1 50Ω探頭在靠近探頭頂部的位置有一個1/4W的電阻。s0jednc

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設計n:1探頭時需要遵循以下步驟。s0jednc

首先，根據想要的通道增益設置值確定電阻的衰減比值，以達到一個比較合適的示波器信號幅度（包括尖峰）。通常選擇十倍的電阻衰減比值，因為顯示的v/div設置只在輸入電壓的小數點位置上有區別。s0jednc

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典型的輸入幅度不應超過內部輸入50Ω終端電阻的額定功率。為了產生想要的通道電壓，電流必須流過50Ω終端電阻。s0jednc

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功率必須小於終端電阻的額定功率：s0jednc

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檢測電阻（R1）值的計算公式：s0jednc

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現在檢查一下檢測電阻的功耗。s0jednc

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檢查你想看的電路負載，你必須理解和確定對目標電路的影響。如果探頭消耗太多的檢測電流，就會改變目標電路的工作，有時這種改變還很顯著。經驗法則是：s0jednc

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有時候初始考慮條件都滿足了，但探頭使目標電路發生了過載。在這種情況下，你必須回到步驟1，並選用小於初始電流的檢測電流。s0jednc

《電子技術設計》2017年11月刊版權所有，轉載請註明來源及連結。s0jednc

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