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如何自制示波器探頭

發(fā)布時(shí)間:2017-11-06 來(lái)源:Martin Brown 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】上升/下降時(shí)間為30ns至60ns的傳統(tǒng)平面或溝槽MOSFET開(kāi)關(guān),逐漸被超結(jié)MOSFET等開(kāi)關(guān)時(shí)間小于5ns的功率開(kāi)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(lái)說(shuō),最好的辦法是自己制作示波器探頭。
 
為了觀(guān)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(wú)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(lái)越高,工程師們已經(jīng)開(kāi)始采用高頻功率開(kāi)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(kāi)關(guān)逐漸被超結(jié)MOSFET、GaN MOSFET、SiC MOSFET和SiC肖特基整流管等開(kāi)關(guān)時(shí)間不到5ns的功率開(kāi)關(guān)所取代。
 
為觀(guān)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(wú)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(lái)說(shuō),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(xiàn)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(kāi)關(guān)晶體管的工作頻率都超過(guò)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(xiàn)(特別是地線(xiàn))有很長(zhǎng)一段沒(méi)有屏蔽。一段4-6英寸(10-15cm)長(zhǎng)的地線(xiàn)可能會(huì)拾取來(lái)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(xiàn),會(huì)形成環(huán)形天線(xiàn)。這段線(xiàn)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(xiàn)夾到探頭上然后靠近目標(biāo)電路板就能觀(guān)測(cè)到這種噪聲。
 
如何自制示波器探頭
圖1:普通電壓示波器探頭用一根地線(xiàn)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(lái)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(zhǎng)度不能超過(guò)1英寸(25cm),以便最大限度減小噪聲拾取。要想觀(guān)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(xiàn)應(yīng)該焊接到最近的關(guān)聯(lián)地上,也就是說(shuō),不能連接到在探頭和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間有很長(zhǎng)PCB走線(xiàn)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)。
 
如何自制示波器探頭
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(xiàn)(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(guò)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(lái)稍微復(fù)雜一些。其簡(jiǎn)化后的原理圖如圖3所示。
 
如何自制示波器探頭
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(guò)0.1%。其功耗不應(yīng)超過(guò)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。
 
如何自制示波器探頭
圖4:低電平示波器跡線(xiàn)通常會(huì)顯示輸入信號(hào)上的量化噪聲。
 
圖5顯示了n:1電壓探頭的基本結(jié)構(gòu)。
 
如何自制示波器探頭
圖5:n:1 50Ω探頭在靠近探頭頂部的位置有一個(gè)1/4W的電阻。
 
設(shè)計(jì)n:1探頭時(shí)需要遵循以下步驟。
 
首先,根據(jù)想要的通道增益設(shè)置值確定電阻的衰減比值,以達(dá)到一個(gè)比較合適的示波器信號(hào)幅度(包括尖峰)。通常選擇十倍的電阻衰減比值,因?yàn)轱@示的v/div設(shè)置只在輸入電壓的小數(shù)點(diǎn)位置上有區(qū)別。
 
如何自制示波器探頭
 
典型的輸入幅度不應(yīng)超過(guò)內(nèi)部輸入50Ω終端電阻的額定功率。為了產(chǎn)生想要的通道電壓,電流必須流過(guò)50Ω終端電阻。
 
如何自制示波器探頭
 
功率必須小于終端電阻的額定功率:
 
如何自制示波器探頭
 
檢測(cè)電阻(R1)值的計(jì)算公式:
 
如何自制示波器探頭
 
現(xiàn)在檢查一下檢測(cè)電阻的功耗。
 
如何自制示波器探頭
 
檢查你想看的電路負(fù)載,你必須理解和確定對(duì)目標(biāo)電路的影響。如果探頭消耗太多的檢測(cè)電流,就會(huì)改變目標(biāo)電路的工作,有時(shí)這種改變還很顯著。經(jīng)驗(yàn)法則是:
 
如何自制示波器探頭
 
有時(shí)候初始考慮條件都滿(mǎn)足了,但探頭使目標(biāo)電路發(fā)生了過(guò)載。在這種情況下,你必須回到步驟1,并選用小于初始電流的檢測(cè)電流。
 
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
 
 
 
 
 
 
 
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