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探頭是如何加重電路負(fù)載的

發(fā)布時(shí)間:2010-07-02

中心議題:
  • 探頭加重電路負(fù)載的原因和解決方案
解決方案:
  • 被測(cè)數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換頻率
  • 被測(cè)電路在轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)的源端阻抗
  • 示波器探頭在轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)的輸入阻抗

示波器探頭的使用往往會(huì)改變被測(cè)電路的工作狀態(tài)。的確,我們都磁到過這樣的情形:當(dāng)用探頭測(cè)試電路時(shí),電路工作正常,而一旦將探頭移開,電路的功能就會(huì)紊亂。這是一種常見的現(xiàn)象,也正是我們要討論的由示波器探頭引起的電路負(fù)載效應(yīng)問題。

當(dāng)探頭使電路的負(fù)載過重時(shí),預(yù)期波形會(huì)如何變化呢?電路特性的變化主要由以下三個(gè)因素決定:
  • 被測(cè)數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換頻率
  • 被測(cè)電路在轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)的源端阻抗
  • 示波器探頭在轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)的輸入阻抗
我們姑且認(rèn)為典型的數(shù)字信號(hào)源端阻抗范圍從10歐到75歐,現(xiàn)在只需要研究示波器探頭與頻率的關(guān)系特性。圖3.11顯示了3種典型示波器探頭的輸入阻抗。

1、0.5PF,1KΩ輸入阻抗的10倍無源探頭。

2、1.7PF,10MΩ輸入阻抗的10儕FET有源輸入探頭。

3、10PF,10MΩ輸入阻抗的10倍無源探頭。

參見圖3.11,在我們關(guān)注的上升時(shí)間范圍內(nèi),探頭的并聯(lián)電容越高,阻抗會(huì)越低。在高頻時(shí),只有并聯(lián)電容比較重要。


如果我們想讓探頭對(duì)被測(cè)電路的影響不大于10%,探頭的阻抗應(yīng)該至少110倍被測(cè)電路的源端阻抗。對(duì)于任何上升時(shí)間小于5NS的場(chǎng)合,10PF的探頭都無法滿足要求。
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例:探頭加載

參見圖3.12,我們通過一個(gè)50歐阻抗的長(zhǎng)傳輸線,將信號(hào)源連接到一個(gè)50歐的端接器在端接位置連接一個(gè)感應(yīng)探頭,該探頭由一個(gè)1KΩ的電阻和一條5Ω阻抗的RG-174短同軸電纜組成。這個(gè)感應(yīng)同軸電纜的另一端接到一臺(tái)高速采樣示波器的50Ω端接的輸入端上。


現(xiàn)在我們可以將不同負(fù)載的示波器探頭接到測(cè)試點(diǎn)上,觀察它們對(duì)電路的影響。

圖3.13展示了一個(gè)TEKTRONIXP6137探頭連接到測(cè)試點(diǎn)時(shí)的情形。P6137是一個(gè)10倍衰減,10PF的100MΩ類型探頭,應(yīng)探頭連接到400MHZ的便攜式示波器。第一個(gè)波形是沒有加載探頭時(shí)的記錄結(jié)果;第二個(gè)波形是加載了帶有6IN長(zhǎng)接地線探頭時(shí)記錄的結(jié)果;第三個(gè)波形是將裸探頭的尖端觸點(diǎn)直接接觸測(cè)試點(diǎn)A,探頭外殼用刀片直接接地時(shí)得到的結(jié)果。


第一個(gè)波形的上升時(shí)間最好,為600PS,并伴有中等程度的振鈴。第二個(gè)波形則在上升時(shí)間上有所劣化,并在最初的上升沿后有較大下沖。第一個(gè)波形也有波動(dòng),但波動(dòng)保持在漸近線上下半個(gè)刻度的范圍之內(nèi)。最后一個(gè)波形的上升時(shí)間顯示為800PS,而且波動(dòng)很小。

讓我們來計(jì)算預(yù)期的上升時(shí)間劣化,然后與這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

如第三個(gè)波形所示,當(dāng)連接的串聯(lián)電感很小時(shí),探頭等效于一個(gè)簡(jiǎn)單的電容負(fù)載。圖3.12所示的測(cè)試點(diǎn)等效信號(hào)源端阻抗為25歐,當(dāng)耦合到10PF的容性負(fù)載時(shí),其RC上升時(shí)間是:

這個(gè)值正好對(duì)應(yīng)了800PS的測(cè)量結(jié)果,達(dá)到了我們預(yù)期的精確程度。

當(dāng)探頭負(fù)載使信號(hào)上升時(shí)間增加了200PS時(shí),信號(hào)的延遲僅增加了100PS,這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)門電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間是在上升沿的中部,而不是10%或90%點(diǎn)的位置。

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