示波器探头基础知识培训
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泰克示波器基础知识培训
培训课程–2
示波器的探头技术
示波器探头技术及应用
示波器 探头 DUT
什么是探头？
在仪器与待测电路之间联结的导体，可能是：
一段导线 一个表笔 电缆 传感器，变送器 探头。。。 探头的定义： 用以从待测电路获取最小的能量，并以最大的信号保真度传送至
测量仪器的设备。
1 ms/div
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50 kHz
50 kHz
50 kHz
典型的10X高阻探头模型
C1 8 pF to 12 pF
CABLE
SCOPE C3 20 pF R3 1 M
R1 GROUND
9 M
R2 C2
500 7-50 pF
10:1高阻无源探头
优点
高输入电阻 宽动态范围 价格便宜 坚固耐用 输入电容小于 C vs 1X Probe 缺点 高输入电容C 与50欧姆系统不兼容 必须经过补偿
典型的10：1无源探头 － P6139A
无源电压探头重要指标
带宽随电压等级提
高而降低
无源电压探头重要指标
各种探头附件应对小尺寸电路
无源探头选型考虑的因素
示波器
带宽：
输入电容
探头带宽大于等于示波器带宽
探头电容补偿范围必须覆盖示波器的输入阻抗
倍率读出支持 负载效应
例如：P5050 自动读出衰减倍率，直接得到实际数值 示波器是50 还是1M 输入阻抗
无源探头选型考虑的因素
应用
frequency
等效负载
CMOS Drive 25 pF Load 3.0 pF per gate 30
1X Passive 10X Passive
Equivalent Gates
3.5 Equivalent Gates
Z0 Passive
Active
.25 Equivalent Gates
.5 Equivalent Gates
探头技术的进化
TekProbeTM 探头接口
TekProbeTM 探头接口
基于BNC的探头接口形式
电路设计 维修 生产
探头对电路的负载效应 信号上升时间 信号峰值 信号幅度
测量的信号
无源探头选型考虑的因素
物理连接
探头尺寸 探头尖尺寸 环境因素
典型的探头
Type 1X Passive Probe 10X Passive Probe Bandwidth Rise Time Input C Input R
P5050
模块化无源探头
P6105A • P6106A 缓冲放大无源探头 － P6339A 小尺寸电路探头 － P6563A 1X和10X切换无源探头 - P2200 THS700专用探头 - P5102
探测小尺寸电路
当今的小
尺寸/表面 贴封电路 已经非常 普及
各种探头附件应 对小尺寸电路
探头如何影响测量
脉冲阶跃响应
频率响应曲线
各种应用环境
通用电子与通讯研究
电力电子研究
•安全 •高电压/电流 •瞬时功率 •间隙事件 –毛刺,尖峰脉冲 •谐波测量,分析 • 慢信号 –长周期 •报告生成 先进的数字和模拟设计 •高速 •不常见的异常事件 •密集的时序容限 •精确/信号重现 •低负载 •先进的触发 –毛刺,幅度异常,亚稳态
- 缺点
- 输入电阻低 R - 必须端接 50
- 典型的低阻匹配探头 - P6150
10:1 高阻无源探头
C1 8 pF to 12 pF CABLE 500 7-50 pF SCOPE C3 20 pF R3 1 M
R1 GROUND
9 M
R2 C2
电缆衰减引起的反射.
R2C2 + SCOPE 对电缆来说不是理想的终端. C2 = 低频补偿----示波器的输入电容的变化. (Impedance probes, C2 is adjustable. In others, C1 is adjustable.)
系统的带宽
系统的上升时间
tr(10%~90%) tr(System)=√tr(scope)2+tr(probe)2
系统的带宽
BW(-3dB) BW(SYSTEM)=
1
√
(
1
BW(scope)
)2 + (
1
BW(probe)
)2
泰克示波器大多是从探头尖计算带宽
原配探头可以保证示波器系统带宽达到标称值
Resistive center conductor cable dampens reflections.
R2C2 + SCOPE are not ideal termination for cable. C2 = low frequency compensation. Scope input C varies.
接地线效应
Coaxial Cable
BNC Probe Adapter
1“Ground Adapter
3“Low Z Ground Lead
6“Ground Lead
No Ground Lead
The signal source is a 1ns rise time step from a 50 source.
测量环境
“设计人员分成两类，一类是已经遇到信号完整性问 题，另一类则是将遇到信号完整性问题。”
- 写在 Sun Microsystems的白板上
关于信号保真度的探头问题
探头的带宽/上升时间
探头的动态范围
探头的负载效应 探头的接地效应
探头的共振效应
探测挑战
高速信号
差分时钟和数据 精细间距部件 电感效应 接地效应 探头负荷
O/E
光电转换器
高阻，低负载 高性能无源探头
• 低噪声
• 安全的浮地测量
• 最小电路 • 影响
• 匹配示波器
• 直接读 出光功 率mW
探头的类型
电压
逻辑
电
有源
流
无源
温度
有源 无源
光电
有源 无源
AC 低阻 高阻 差分 差分
DC
无源电压探头
电压探头
理想的电压探头
Rin = Cin = 0
cable
低阻匹配探头
450
CABLE
50
0.5 pF
SCOPE 由于电缆被它的特性阻抗终端, 输入端可看成50 , no L or C. 不需要补偿 0.5 pF 电容是一个加速电容用于补偿电缆的集肤效应 (skin-effect).
GROUND
低阻匹配探头
• 优点
低输入电容C 带宽高 加端接后与 50 和 1 M 无须补偿 兼容
您遗漏了什么？
Vinh
实际波形
Vinl
Slides displayed by permission of Mentor Graphics
信号保真度… :
信号完整性: “ 我的电路是按照仿真的结果运行吗 ?”
信号保真度: “ 我是否可以相信测量系统是否真是准确地再现了我
的信号?”
探头负载效应会带来很大影响
100 k 10 M 0.4 pF 2 pF
探头输入阻抗
100M 10M
10X Passive 11 pF/10 M
1M
100k 10k 1k 100 10 1 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G
1X Passive 100 pF/1 M
Z0 0.15 pF/500 Active 0.4 pF/100 k
探头传输延迟
4~30 ns的延迟
对不同类型的探头.
同类探头一般的延迟<200ps.
应用测试
如何测量12V直流电源纹波（杂讯，Ripple）？ TDS1012如果使用别的厂牌的100MHz探头，带宽是多少
？
有源探头
高速电路设 计调试
技术挑战
480Mb/s USB2.0 2.5Gb/s STM16/OC-48 800MHz RDRAM 1/2.5/3.125 GbE FC 1/2.0Gb/s 266MHz DDR 400MHz FSB 800MHz HyperTransport 1.6Gb/s Firewire 1394b 2.5Gb/s Infiniband 2.5Gb/s 3GIO/Arapahoe
其他问题
补偿 系统的带宽
幅度的精度与频率的关系
接地 结构
探头补偿
探头补偿
C1 8 pF to 12 pF
CABLE 500 7-50 pF
SCOPE C3 20 pF R3 1 M
R1 GROUND
9 M
R2 C2
典型的10X高阻探头模型
探头补偿效果
探头补偿
补偿 过补偿 欠补偿
接地线效应
Vsource
RIN 10 M CIN
(approx. 11 pF) GROUND LEAD L
在实际的测量中,测量性能常常由探头的接地线来定,而不
是探头和仪器的带宽或输入阻抗.
接地线效应
使用10X无源探头，输入电容10pF，6“接地线 振铃幅度＝50％ 误差 1 典型的振铃频率＝ 2π √ LC =50~70Mhz OR 上升时间=7~5ns
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1:1无源探头 (导线)
6 feet
探头端
地线
优点: 缺点:
探头电缆 8 - 10 pF/ft* 1.5 ns/ft
1 M SCOPE
20 pF
1X (无衰减) 价格便宜
端接
输入阻抗很低
非端接
- 非常高的反射 - 非常高的输入电容 - 低的带宽
* 典型的导线探头：高校实验室 的鳄鱼夹
有源探头
C1 探头 C2 CABLE R1 GROUND BUFFER AMP R2 仪器
R3
高输入阻抗缓冲放大器置于探头前端用于驱动传输
线
有源探头
优点
低输入电容 高带宽 高输入电阻 R 适合 50 或1 M 无须补偿 缺点 造价较高 动态范围比较小 较易损 需要供电
接地线效应
消除测量噪声的技巧
噪声的来源：地回路噪声
尽量使用同一交流电 使用隔离变压器 使用阻抗稳定网络 使用差分探头
消除测量噪声的技巧
噪声的来源：空间干扰噪声
可以通过去掉探头判别
探头尖与地线短接时还存在的噪声
尽量缩短探头地引线 探头导线不要与任何信号/电源线绞缠
可以通过短接后探测电路的方法判别噪声来源。
15 MHZ
100 MHZ 500 MHZ 3 GHZ 9 GHZ
23 ns
3.5 ns 700 ps 120 ps 40 ps 4.6 ns 100 ps
100 pF
8 pF 13 pF 0.15 pF 1 pF
1 M
10 M 500
Z0 Passive Probe
Active Probe 750 MHZ 6 GHZ
•高速 •低信噪比 •精确/信号重现 •低负载 •先进的触发能力
基础研究
•复杂信号 • 不确定事件 •低信噪比 •分析 •先进的触发 •数据资料
集成测量环境 - 探头是仪器
Amps Watts Volts
A
直接读出 电流数值 • 直接读出 • 安培和瓦
uV
小信号差分测量
KV
高压差分测量
FET
10X
理想的探头将不影响信号的测量
带宽无限 零输入电容 无穷大输入电阻 无限动态范围 衰减为 1 零延时 零相移 机械尺寸与待测点十分吻合
电压探头的等效电路
探头对被测点的影响
Vcc
不加探头
Gain = - RC RE
f0 = 1 2 p RCCC
Cc
Rc
PROBE
加探头
VIN
RP RE
CP
Gain = -(RC||RP) RE f0 = 1 2 p (RC||RP)(CC+CP)
NOTE:
Vcc is an AC Ground
探头对被测点的影响
例如：Rc＝10K Re＝10 Cc= 100pF
Rp＝1M Cp=20pF
原电路增益和截止频率： 增益＝ 1000 截止频率 ＝ 1/2 *p*10k *100pF=160KHz 接入探头后的增益和截止频率： 增益 ＝ 991 截止频率＝ 1/2 *p*9.91k *120pF=134KHz
等效阻抗
标准附件
与各种电路连接的附件
探头附件
泰克的无源探头家族
1X无源探头 － P6101B 通用无源探头－10X，1 MΩ 输入阻抗
P3010 • P6103B • P6109B • P6111B • P6112 • P6114B • P6117 高性能无源探头－ 10X读出，10 MΩ 输入阻抗 P6131 • P6133 • P6134C • P6136 • P6137 • P6138A • P6139A •
培训课程–2
示波器的探头技术
示波器探头技术及应用
示波器 探头 DUT
什么是探头？
在仪器与待测电路之间联结的导体，可能是：
一段导线 一个表笔 电缆 传感器，变送器 探头。。。 探头的定义： 用以从待测电路获取最小的能量，并以最大的信号保真度传送至
测量仪器的设备。
1 ms/div
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50 kHz
50 kHz
50 kHz
典型的10X高阻探头模型
C1 8 pF to 12 pF
CABLE
SCOPE C3 20 pF R3 1 M
R1 GROUND
9 M
R2 C2
500 7-50 pF
10:1高阻无源探头
优点
高输入电阻 宽动态范围 价格便宜 坚固耐用 输入电容小于 C vs 1X Probe 缺点 高输入电容C 与50欧姆系统不兼容 必须经过补偿
典型的10：1无源探头 － P6139A
无源电压探头重要指标
带宽随电压等级提
高而降低
无源电压探头重要指标
各种探头附件应对小尺寸电路
无源探头选型考虑的因素
示波器
带宽：
输入电容
探头带宽大于等于示波器带宽
探头电容补偿范围必须覆盖示波器的输入阻抗
倍率读出支持 负载效应
例如：P5050 自动读出衰减倍率，直接得到实际数值 示波器是50 还是1M 输入阻抗
无源探头选型考虑的因素
应用
frequency
等效负载
CMOS Drive 25 pF Load 3.0 pF per gate 30
1X Passive 10X Passive
Equivalent Gates
3.5 Equivalent Gates
Z0 Passive
Active
.25 Equivalent Gates
.5 Equivalent Gates
探头技术的进化
TekProbeTM 探头接口
TekProbeTM 探头接口
基于BNC的探头接口形式
电路设计 维修 生产
探头对电路的负载效应 信号上升时间 信号峰值 信号幅度
测量的信号
无源探头选型考虑的因素
物理连接
探头尺寸 探头尖尺寸 环境因素
典型的探头
Type 1X Passive Probe 10X Passive Probe Bandwidth Rise Time Input C Input R
P5050
模块化无源探头
P6105A • P6106A 缓冲放大无源探头 － P6339A 小尺寸电路探头 － P6563A 1X和10X切换无源探头 - P2200 THS700专用探头 - P5102
探测小尺寸电路
当今的小
尺寸/表面 贴封电路 已经非常 普及
各种探头附件应 对小尺寸电路
探头如何影响测量
脉冲阶跃响应
频率响应曲线
各种应用环境
通用电子与通讯研究
电力电子研究
•安全 •高电压/电流 •瞬时功率 •间隙事件 –毛刺,尖峰脉冲 •谐波测量,分析 • 慢信号 –长周期 •报告生成 先进的数字和模拟设计 •高速 •不常见的异常事件 •密集的时序容限 •精确/信号重现 •低负载 •先进的触发 –毛刺,幅度异常,亚稳态
- 缺点
- 输入电阻低 R - 必须端接 50
- 典型的低阻匹配探头 - P6150
10:1 高阻无源探头
C1 8 pF to 12 pF CABLE 500 7-50 pF SCOPE C3 20 pF R3 1 M
R1 GROUND
9 M
R2 C2
电缆衰减引起的反射.
R2C2 + SCOPE 对电缆来说不是理想的终端. C2 = 低频补偿----示波器的输入电容的变化. (Impedance probes, C2 is adjustable. In others, C1 is adjustable.)
系统的带宽
系统的上升时间
tr(10%~90%) tr(System)=√tr(scope)2+tr(probe)2
系统的带宽
BW(-3dB) BW(SYSTEM)=
1
√
(
1
BW(scope)
)2 + (
1
BW(probe)
)2
泰克示波器大多是从探头尖计算带宽
原配探头可以保证示波器系统带宽达到标称值
Resistive center conductor cable dampens reflections.
R2C2 + SCOPE are not ideal termination for cable. C2 = low frequency compensation. Scope input C varies.
接地线效应
Coaxial Cable
BNC Probe Adapter
1“Ground Adapter
3“Low Z Ground Lead
6“Ground Lead
No Ground Lead
The signal source is a 1ns rise time step from a 50 source.
测量环境
“设计人员分成两类，一类是已经遇到信号完整性问 题，另一类则是将遇到信号完整性问题。”
- 写在 Sun Microsystems的白板上
关于信号保真度的探头问题
探头的带宽/上升时间
探头的动态范围
探头的负载效应 探头的接地效应
探头的共振效应
探测挑战
高速信号
差分时钟和数据 精细间距部件 电感效应 接地效应 探头负荷
O/E
光电转换器
高阻，低负载 高性能无源探头
• 低噪声
• 安全的浮地测量
• 最小电路 • 影响
• 匹配示波器
• 直接读 出光功 率mW
探头的类型
电压
逻辑
电
有源
流
无源
温度
有源 无源
光电
有源 无源
AC 低阻 高阻 差分 差分
DC
无源电压探头
电压探头
理想的电压探头
Rin = Cin = 0
cable
低阻匹配探头
450
CABLE
50
0.5 pF
SCOPE 由于电缆被它的特性阻抗终端, 输入端可看成50 , no L or C. 不需要补偿 0.5 pF 电容是一个加速电容用于补偿电缆的集肤效应 (skin-effect).
GROUND
低阻匹配探头
• 优点
低输入电容C 带宽高 加端接后与 50 和 1 M 无须补偿 兼容
您遗漏了什么？
Vinh
实际波形
Vinl
Slides displayed by permission of Mentor Graphics
信号保真度… :
信号完整性: “ 我的电路是按照仿真的结果运行吗 ?”
信号保真度: “ 我是否可以相信测量系统是否真是准确地再现了我
的信号?”
探头负载效应会带来很大影响
100 k 10 M 0.4 pF 2 pF
探头输入阻抗
100M 10M
10X Passive 11 pF/10 M
1M
100k 10k 1k 100 10 1 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G
1X Passive 100 pF/1 M
Z0 0.15 pF/500 Active 0.4 pF/100 k
探头传输延迟
4~30 ns的延迟
对不同类型的探头.
同类探头一般的延迟<200ps.
应用测试
如何测量12V直流电源纹波（杂讯，Ripple）？ TDS1012如果使用别的厂牌的100MHz探头，带宽是多少
？
有源探头
高速电路设 计调试
技术挑战
480Mb/s USB2.0 2.5Gb/s STM16/OC-48 800MHz RDRAM 1/2.5/3.125 GbE FC 1/2.0Gb/s 266MHz DDR 400MHz FSB 800MHz HyperTransport 1.6Gb/s Firewire 1394b 2.5Gb/s Infiniband 2.5Gb/s 3GIO/Arapahoe
其他问题
补偿 系统的带宽
幅度的精度与频率的关系
接地 结构
探头补偿
探头补偿
C1 8 pF to 12 pF
CABLE 500 7-50 pF
SCOPE C3 20 pF R3 1 M
R1 GROUND
9 M
R2 C2
典型的10X高阻探头模型
探头补偿效果
探头补偿
补偿 过补偿 欠补偿
接地线效应
Vsource
RIN 10 M CIN
(approx. 11 pF) GROUND LEAD L
在实际的测量中,测量性能常常由探头的接地线来定,而不
是探头和仪器的带宽或输入阻抗.
接地线效应
使用10X无源探头，输入电容10pF，6“接地线 振铃幅度＝50％ 误差 1 典型的振铃频率＝ 2π √ LC =50~70Mhz OR 上升时间=7~5ns
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1:1无源探头 (导线)
6 feet
探头端
地线
优点: 缺点:
探头电缆 8 - 10 pF/ft* 1.5 ns/ft
1 M SCOPE
20 pF
1X (无衰减) 价格便宜
端接
输入阻抗很低
非端接
- 非常高的反射 - 非常高的输入电容 - 低的带宽
* 典型的导线探头：高校实验室 的鳄鱼夹
有源探头
C1 探头 C2 CABLE R1 GROUND BUFFER AMP R2 仪器
R3
高输入阻抗缓冲放大器置于探头前端用于驱动传输
线
有源探头
优点
低输入电容 高带宽 高输入电阻 R 适合 50 或1 M 无须补偿 缺点 造价较高 动态范围比较小 较易损 需要供电
接地线效应
消除测量噪声的技巧
噪声的来源：地回路噪声
尽量使用同一交流电 使用隔离变压器 使用阻抗稳定网络 使用差分探头
消除测量噪声的技巧
噪声的来源：空间干扰噪声
可以通过去掉探头判别
探头尖与地线短接时还存在的噪声
尽量缩短探头地引线 探头导线不要与任何信号/电源线绞缠
可以通过短接后探测电路的方法判别噪声来源。
15 MHZ
100 MHZ 500 MHZ 3 GHZ 9 GHZ
23 ns
3.5 ns 700 ps 120 ps 40 ps 4.6 ns 100 ps
100 pF
8 pF 13 pF 0.15 pF 1 pF
1 M
10 M 500
Z0 Passive Probe
Active Probe 750 MHZ 6 GHZ
•高速 •低信噪比 •精确/信号重现 •低负载 •先进的触发能力
基础研究
•复杂信号 • 不确定事件 •低信噪比 •分析 •先进的触发 •数据资料
集成测量环境 - 探头是仪器
Amps Watts Volts
A
直接读出 电流数值 • 直接读出 • 安培和瓦
uV
小信号差分测量
KV
高压差分测量
FET
10X
理想的探头将不影响信号的测量
带宽无限 零输入电容 无穷大输入电阻 无限动态范围 衰减为 1 零延时 零相移 机械尺寸与待测点十分吻合
电压探头的等效电路
探头对被测点的影响
Vcc
不加探头
Gain = - RC RE
f0 = 1 2 p RCCC
Cc
Rc
PROBE
加探头
VIN
RP RE
CP
Gain = -(RC||RP) RE f0 = 1 2 p (RC||RP)(CC+CP)
NOTE:
Vcc is an AC Ground
探头对被测点的影响
例如：Rc＝10K Re＝10 Cc= 100pF
Rp＝1M Cp=20pF
原电路增益和截止频率： 增益＝ 1000 截止频率 ＝ 1/2 *p*10k *100pF=160KHz 接入探头后的增益和截止频率： 增益 ＝ 991 截止频率＝ 1/2 *p*9.91k *120pF=134KHz
等效阻抗
标准附件
与各种电路连接的附件
探头附件
泰克的无源探头家族
1X无源探头 － P6101B 通用无源探头－10X，1 MΩ 输入阻抗
P3010 • P6103B • P6109B • P6111B • P6112 • P6114B • P6117 高性能无源探头－ 10X读出，10 MΩ 输入阻抗 P6131 • P6133 • P6134C • P6136 • P6137 • P6138A • P6139A •