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弄懂示波器探頭原理，自己DIY一個(gè)好用的示波器探頭

leegi 2020-11-12 22:41:37 0次

上升/下降時(shí)間為30ns至60ns的傳統(tǒng)平面或溝槽MOSFET開關(guān)，逐漸被超結(jié)MOSFET等開關(guān)時(shí)間小于5ns的功率開關(guān)所取代。要查看這種快速轉(zhuǎn)換，通常需要使用至少1GHz帶寬的示波器，但目前市售的示波器探頭帶寬一般小于300MHz。此外，高頻電壓和電流探頭通常價(jià)格昂貴。因此，對(duì)于中型企業(yè)的電源工程師來說，最好的辦法是自己制作示波器探頭。

為了觀察快速變化的波形，示波器的帶寬至少要達(dá)到1GHz。遺憾的是，大多數(shù)商用電壓和電流探頭都無法在這么高的頻率下工作。

隨著現(xiàn)代電源的工作頻率越來越高，工程師們已經(jīng)開始采用高頻功率開關(guān)和整流器技術(shù)。上升/下降時(shí)間為30ns到60ns的傳統(tǒng)平面或溝槽MOSFET開關(guān)逐漸被超結(jié)MOSFET、GaN MOSFET、SiC MOSFET和SiC肖特基整流管等開關(guān)時(shí)間不到5ns的功率開關(guān)所取代。

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(shù)商用的電壓和電流探頭無法在這么高的頻率下工作。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(diǎn)的電流探頭至少要4000美元。對(duì)于在中小規(guī)模公司上班的電源工程師來說，只有一條路：自己做探頭。設(shè)計(jì)和制作高頻電壓和電流探頭需要很好地理解射頻、寄生效應(yīng)、傳輸線理論和場(chǎng)論。

商用探頭的缺點(diǎn)

商用示波器的電壓和電流探頭極具魯棒性，設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)，而且非常精確，在工作頻率遠(yuǎn)小于1GHz的許多應(yīng)用中它們都能很好地工作。而新一代開關(guān)晶體管的工作頻率都超過1GHz，導(dǎo)致上升和下降時(shí)間都不到5ns。

商用探頭的低帶寬極大地限制了測(cè)量精度。工程師們習(xí)慣了慢的上升和下降時(shí)間，因此很容易忽略遺漏的信息。另外，普通探頭連接到信號(hào)源會(huì)產(chǎn)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(huì)拾取來自電路或其它地方的輻射噪聲，并將噪聲注入同軸電纜形成共模信號(hào)。這種容易被忽略的信號(hào)會(huì)疊加到有用的信號(hào)上。

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(hào)或地線，會(huì)形成環(huán)形天線。這段線拾取到的噪聲電平正比于環(huán)路面積以及噪聲能量和噪聲頻譜。只需簡(jiǎn)單地將地線夾到探頭上然后靠近目標(biāo)電路板就能觀測(cè)到這種噪聲。

圖1：普通電壓示波器探頭用一根地線夾到待測(cè)電路。

其實(shí)你可以自己做一個(gè)50Ω的電壓探頭，自制50Ω電壓探頭可以幫助你更好地定義和理解電路中發(fā)生的事件。自制50Ω電壓探頭的總體目標(biāo)是：

?構(gòu)建一條從電路到示波器的干凈高頻信號(hào)路徑；?沿著信號(hào)路徑提供盡可能實(shí)用的屏蔽；?能夠控制盡可能多的寄生影響。

1:1 屏蔽同軸電壓探頭

對(duì)低于示波器輸入端最大額定輸入電壓的信號(hào)，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(dǎo)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(jié)點(diǎn)的信號(hào)，可以將中心導(dǎo)體直接焊接到該節(jié)點(diǎn)上；地線應(yīng)該焊接到最近的關(guān)聯(lián)地上，也就是說，不能連接到在探頭和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間有很長pcb走線的地。這種探頭只能提供從目標(biāo)電路到示波器的高頻信號(hào)屏蔽。示波器的輸入終端電阻應(yīng)該是1MΩ。圖2顯示了這種1:1屏蔽探頭的設(shè)計(jì)。

圖2：基于同軸電纜的1:1屏蔽式電壓探頭。探頭上的電感（LUS）和地線（LG）會(huì)限制帶寬，但由于尺寸小，有助于減少噪聲拾取。

n:1 50Ω電壓探頭

n:1探頭主要用于信號(hào)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，這種探頭制作起來稍微復(fù)雜一些。其簡(jiǎn)化后的原理圖如圖3所示。

圖3：簡(jiǎn)化后的n:1電壓探頭原理圖，其中的串聯(lián)電阻RS需要一定的計(jì)算才能確定值的大小。

因此首先也是重要的一步是確定這個(gè)檢測(cè)電阻（RS）的大小。這可不是想像的那么簡(jiǎn)單，有多個(gè)因素需要考慮。

將示波器的輸入終端電阻設(shè)為50Ω，這樣示波器內(nèi)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(rèn)為這個(gè)電阻的精度超過0.1%。其功耗不應(yīng)超過0.25W。這個(gè)額定功率決定了能夠進(jìn)入示波器輸入端的最大電流值。

其它考慮因素包括：

?50Ω終端電阻上的信號(hào)最大幅度?串聯(lián)檢測(cè)電阻（RS）的功耗?輸入電路上的負(fù)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(shè)置。如果信號(hào)太低，示波器的輸入增益必須設(shè)置在小于100mV的范圍。由于輸入信號(hào)非常接近輸入放大器的本底噪聲，因此顯示的信號(hào)會(huì)帶很多噪聲，從而導(dǎo)致ADC輸入分辨率降低。信號(hào)可能只能被ADC（假設(shè)是8位的ADC）的低四位比特捕獲，最終你會(huì)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(duì)具有高降壓比的探頭。圖4顯示了一個(gè)1000:1 50Ω探頭的典型波形。