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我們先來觀察一下用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測試1ns上升時間階躍信號的影響。使用脈沖發(fā)生器產生一個1ns的階躍信號，通過測試夾具后，使用SMA電纜直接連接到一個1.5GHz帶寬的示波器上，這樣示波器上會顯示一個波形（如下圖中的藍色信號），把這個波形存為參考波形。然后使用探頭點測測試夾具去探測被測信號，通過SMA直連的波形因為受探頭負載的影響而變成黃色的波形，探頭通道顯示的是綠色的波形。然后分別測試上升時間，可以看出無源探頭和有源探頭對高速信號的影響。

具體測試結果如下：

使用1165A 600MHz無源探頭，使用鱷魚嘴接地線：受探頭負載的影響，上升時間變?yōu)椋?.9ns；探頭通道顯示的波形存在振鈴，上升時間為：1.85ns;

使用1156A 1.5GHz有源探頭，使用5cm接地線：受探頭負載的影響較小，上升時間仍為：1ns；探頭通道顯示的波形與原始信號一致，上升時間仍為：1ns。

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單端有源探頭結構圖如下，使用放大器實現(xiàn)阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高（一般達100Kohm以上），而輸入電容較?。ㄒ话阈∮?pf)，通過探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm輸入阻抗。有源探頭帶寬寬（現(xiàn)在可達30GHz），而負載小，但是價格相對較高（一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10%左右)，動態(tài)范圍較?。ㄟ@個需要注意，因為超過探頭動態(tài)范圍的信號，不能正確測試。一般動態(tài)范圍5V左右），比較脆弱，使用需小心。

差分探頭結構圖如下，使用差分放大器實現(xiàn)阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高（一般達50Kohm以上），而輸入電容較?。ㄒ话阈∮?pf)，通過差分探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm輸入阻抗。差分探頭帶寬非常寬（現(xiàn)在可達30GHz），負載非常小，具有較高共模抑制比，但是價格相對較高（一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10%左右)，動態(tài)范圍也較小（這個需要注意，因為超過探頭動態(tài)范圍的信號，不能正確測試。一般動態(tài)范圍3V左右），比較脆弱，使用需小心。差分探頭適合測試高速差分信號（測試時不用接地），適合放大器測試，電源測試，適合虛地測試等應用。

有源探頭附件

現(xiàn)代的高帶寬有源探頭都采用分離式的設計方法，即：探頭放大器與探頭附件部分分開。這樣設計的好處是：

1、支持更多的探頭附件，使得探測更加的靈活；

2、保護投資，最貴的是探頭放大器（一個探頭放大器可以支持多種探測方式，以前需要幾個探頭來實現(xiàn)）；同時探頭附件保護探頭放大器（探頭附件即使損壞，價格也相對便宜）；

3、這種設計方式容易實現(xiàn)高帶寬。

這些探頭附件，主要包括以下幾種：

1、點測探頭附件（包括：單端點測和差分點測）；

2、焊接探頭附件（包括：單端焊接和差分焊接，分離式的ZIF焊接）；

3、插孔探頭附件；

4、差分SMA探頭附件（示波器一般直接支持SMA連接，但是如果被測信號需要上拉如HDMI，則必須使用SMA探頭附件）。

探頭附件的電路結構如下圖所示：

1、在探頭附件尖端部分會有一對阻尼電阻（一般82ohm），這對阻尼電阻的作用是消除探頭附件尖端部分的電感的諧振影響；

2、探頭尖端部分的后面是25Kohm的電阻，這個電阻決定了探頭的輸入阻抗（直流輸入阻抗即電阻：單端25Kohm，差分50Kohm），這個電阻使得被測信號傳輸?shù)教筋^放大器部分的功率是非常小的，不至于對被測信號有較大影響。

3、25Kohm的電阻后面是同軸傳輸線部分，這個傳輸線負責把小信號傳輸?shù)椒糯笃鳌＿@個傳輸線的長度可以很長，也可以很短，中間可以加衰減器，也可以加耦合電容。

4、同軸傳輸線連接到放大器，放大器是50ohm匹配的（差分100ohm匹配）。

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有源探頭為了保持探頭的精確度，需要工作在恒溫狀態(tài)，所以探頭放大器不能放置到高低溫箱里進行高低溫環(huán)境下被測電路板的測試。從探頭附件結構中可見中間的50ohm傳輸線的長短不影響探測，所以可以用很長的同軸電纜或擴展同軸電纜，讓這個同軸電纜伸進高低溫箱里進行高低溫換進下被測電路板的測試。如下圖是N5450A擴展電纜，使用N5381A焊接探頭附件，可以工作在-55°到150°溫度范圍。

使用N5450A擴展電纜和N5381A探頭附件，使用1169A 12GHz探頭放大器，在-55°和 150° 環(huán)境下的頻響曲線如下圖所示，可見能夠滿足高速信號測試的要求。

探頭及附件準確度驗證

下圖是一個例子：被測信號是一個頻率456MHz，邊沿時間約65ps的時鐘信號，分別使用不同類型的探頭和探頭附件的測試結果。

A圖是使用12GHz的1169A差分探頭和N5381A 12GHz焊接探頭附件的測試結果，幾乎完全復現(xiàn)被測信號；

B圖是使用500MHz的無源探頭的測試結果，顯示的信號完全失真；

C圖是使用12GHz的1169A差分探頭和較長的測試引線的測試結果，顯示的信號出現(xiàn)很大的過沖；

D圖是使用4GHz的1158A單端探頭和較長的測試引線的測試結果，顯示的信號幾乎是正弦波，失真較大。

從圖中可見探頭和探頭附件對測試精確度的影響是非常大的，是我們測試高速信號應該重點注意的內容之一。那我們應該如何驗證探頭和探頭附件呢？

驗證探頭和探頭附件需要使用一臺脈沖碼型發(fā)生器（如:81134A，3.35GHz速率，60ps邊沿的脈沖碼型發(fā)生器），如果示波器自帶高速信號輸出功能，也可以使用示波器的這個輔助輸出口代替脈沖碼型發(fā)生器（如:Infiniium示波器的AUXOUT端口可以發(fā)一個高速時鐘：456MHz頻率，約65ps邊沿）。另外，需要同軸電纜和測試夾具（Infiniium示波器配置的探頭校準夾具可以作為探頭和探頭附件驗證測試夾具）。測試夾具的外表是地(Ground)，里面走線是信號(Signal)，如下圖所示。使用時，通過同軸電纜把一端接到脈沖碼型發(fā)生器或示波器的輔助輸出AUXOUT端口，另外一端通過適配器連接到示波器的通道1上。

然后把被驗證的探頭連接到通道2上，探頭通過探頭附件可以接觸到測試夾具的信號和地（如果是差分探頭，那么把+端連接到測試夾具的信號線，把-端連接到測試夾具的地上）。

1、如果探頭不接觸信號線，則屏幕上會出現(xiàn)一個原始波形，存為參考波形；

2、當用探頭探測信號線時，通道1的波形會發(fā)生變化，這個變化后的波形就是被探頭和探頭附件影響后的被測信號；

3、這時，連接探頭的通道2會出現(xiàn)一個波形，這個波形是探頭測試到的波形；

4、通過對比參考波形，通道1的波形，和連接探頭的通道2的波形，就可以直觀的看出或通過測試參數(shù)讀出三者的差別，可以驗證探頭和探頭附件的影響。

下圖是實際驗證的一個例子，圖A把示波器的AUXOUT通過同軸電纜連接到測試夾具，測試夾具的另一端通過SMA-PBNC適配器連接到示波器的一個通道上（此例連接到通道3），把探頭連接到通道1上，此時調整屏幕上的波形，使得出現(xiàn)一個邊沿階躍波形，如圖C所示，并把此波形存為參考波形。如圖B把被驗證探頭和附件點測到測試夾具上，如圖D所示，屏幕上出現(xiàn)3個波形，蘭色的是參考波形，綠色的是受探頭影響后的被測波形，黃色的是探頭顯示的波形，通過測試上升時間參數(shù)，過沖參數(shù)等，可確認探頭和探頭附件的性能。

文章來自安捷倫公司，公眾號【工程師看海】后臺回復：示波器探頭

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