示波器差分探头自动测试设计

示波器差分探头自动测试设计

摘要：本文以tek公司示波器差分探头p5200为例，通过对共模抑制比cmrr参数进行详细分析，全面、系统地介绍了如何实现示波器差分探头的自动测试。与传统的手动检定相比，极大地提高工程测试的质量和效率，也为其他类型示波器探头，如电流探头，电压探头等的计量提供了一种全新的方法，具有广阔的应用前景。关键词：cmrr；差分探头

中图分类号：tm935.3 文献标识码：a 文章编号：1674-7712 （2013） 06-0009-02

差分探头与示波器组成的测量系统，不仅能够快速的测量微小差分信号，而且能抑制信号中的共模噪声，提高高速传输信号的信噪比，增强抗干扰能力，示波器差分探头被广泛应用于嵌入式数字电路和系统测试、差分串行总线测试中，是科研生产和工程测试常用的工具之一。为了确保测量结果的准确性和可靠性，需要对示波器差分探头进行计量校准。目前国内很多科研院所以及一些仪器生产厂家对示波器等仪器的检定校准都研发了相应的自动测试程序，而对示波器差分探头计量校准却一直是通过手工操作完成的，不仅效率低下，而且给生产调试工作带来了质量隐患。本文提出了针对示波器差分探头计量的自动测试系统，经过长时间实践验证，极大地提高测试的质量和效率。

一、差分探头概述

差分探头是用差分放大器原理设计出来的示波器探头，差分放大

器是由两个参数特性相同的晶体管用直接耦合方式构成的放大器。若两个输入端分别输入大小相等且相位相同的信号时，输出为零，从而克服零点漂移，差分信号是相互参考的，而不是以地作为参考的信号。由两条信号线本身作为回路时，由于外界干扰源或设备内部本身耦合而产生的干扰信号，叫做差模干扰。在差模信号的测量中，对同时作用于输入两端的干扰信号的抑制能力就是共模抑制比（cmrr）。共模抑制比是一个与频率相关的参数，随着频率的增加而减小。因此在相同共模抑制比条件下，高频差分探头比低频差分探头性能好。

示波器差分探头以tek公司示波器高压差分探头p5200为例，其主要计量特性有：直流增益，交流增益，频带宽度，上升时间，共模抑制比等。

二、系统工作原理

整个自动测试系统以计算机为中心，采用标准通信接口（lan、usb、rs232、如agilent公司的82357b gpib总线卡等）连接标准信号源（如fluke公司的多功能校准源5520a）和被检仪器（差分探头p5200），此类探头衰减比有两档，需手动调节，且自身无显示装置，测量结果均需借助其他测量仪器如示波器（如dpo4104）或数字多用表（如hp34401a）显示。通过标准通信接口发送控制命令，首先控制标准信号源输出校准或清零信号至测量仪器，校准或清零结束后手动调节被检仪器的衰减比，并按照软件控制流程输出设定的标准信号，并由计算机取回被检仪器的测量值，通过相关数据库

保存测量结果。系统工作原理如图1所示。

三、系统软件设计

由于示波器本身存在一定的上升时间和频率响应的不平坦度和

测量误差，不能像高精度数字多用表那样忽略对测量结果的影响，必须对其进行修正。其方法是：首先标准信号源输出相应的信号不经过差分探头直接至示波器（图1中虚线所示）进行测量并存储测量数据，后按照图1实线连接好差分探头，重复输出信号进行测量，再用前面存储的数据修正。

根据测量项目选择相应的标准信号源、测量仪器，为了确保信号波形不失真，示波器型号最好选择厂家推荐与探头相匹配的型号。首先扫描各类仪器控制地址，并确认测量项目（交直流电压增益，频带宽度，上升时间，共模抑制比等），其中直流电压增益的测量前需要清零数表或者校准示波器，其他测量项目均不需要，清零结束后，手动设置被测仪器差分探头p5200的量程、衰减比等（1/50或1/500档位）。计算机控制标准信号源输出相应的测量点信号参数如电压、频率、阻抗等，同时设置测量仪器参数如示波器的阻抗，灵敏度，扫描速率以及采样模式等，以保证显示正确的测量结果，计算机通过总线再回读存储测量点数据，并对数据进行运算处理，其中包括cmrr参数中差模增益△，共模抑制比的计算，测量不确定度的计算等。每个测量点测量结束后判断本次测量项目是否结束，若是，继续下一个测量项目的确认，重复以上测量过程，否则全部测量项目自动测试结束，退出软件程序。整个系统软件设计流

程如图2所示。

交、直流增益，带宽，上升时间等基本参数按上图所示均可由测量仪器直接测试可得到，在此不再赘述，但cmrr这个参数测试结果还需要后期数据处理，而且它是反映差分探头性能的一个关键参数，重点分析此参数的测试过程。

共模抑制比被定义为：

cmrr=ad/ac （1）

或以db表示：cmrr=20lgad/ac （2）

其中：ad：差模信号电压增益；ac：共模信号电压增益。差模信号电压放大倍数ad越大，共模信号电压放大倍数ac越小，则cmrr 越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。当差分放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数ac=0，则共模抑制比cmrr趋向于无穷大。电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号（干扰）的能力也就越差。

从定义中我们可以看出只要能测量出差模信号电压增益和共模

信号电压增益的大小，用公式（1）或（2）可以计算出差分探头共模抑制比。

测量共模信号电压ac，把标准信号源的输出端与差分探头的输入端连接（探头“+”接标准信号源信号端，探头“-”接标准信号源地端），标准信号源输出直流电压500v，从示波器上读出测量值ac；测量差分信号电压ad，把标准信号源的输出端与差分探头的输入端连接（探头“+”、“-”短路后接标准信号源信号端，探头“地”接

标准信号源地端），标准信号源输出直流电压0v，500v，从示波器上分别读出测量值，计算得到值ad；由此再计算出共模抑制比。

四、测试结果分析

在传统的手动测量过程中需要多次手动设置标准信号源、示波器参数，多次更换转接头如bnc-香蕉头，测试持续时间长，测试系统的稳定性对测量结果的可靠性造成很大影响。而在自动测试过程中，测试时间短，示波器等仪器的短期稳定性对测量结果的影响可以忽略不记，测量结果更可靠。图3为此参数手动测试数据，图4为自动测试结果，对比两图可以看出，两者的测试数据能够保持一致性，但是在后期数据处理中，尤其是大量测试数据，自动测试省去了人员计算，数据输入，证书格式编排等繁琐的工序，减少了人为因素的不确定性，提高了测试效率和质量。

五、结论

示波器差分探头自动测试系统经过长时间验证，可以快速，准确地计量各种型号差分探头，在实际测试中取得了较好效果，也为其他类型示波器探头，如电流探头，电压探头等的计量提供了一种全新的方法，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]杜吉伟.32ghz带宽实时示波器技术揭秘-四-30ghz高阻差分示波器探头设计[j].中国电子商情，2010，10.

[2]夏国忠.差分和单端有源探头性能比较[j].国外电子测量技术，2004，4.