示波器探头原理

　　图16 探头附件
　　这些探头附件，主要包括以下几种：
　　1、点测探头附件(包括：单端点测和差分点测);
　　2、焊接探头附件(包括：单端焊接和差分焊接，分离式的ZIF焊接);
　　3、插孔探头附件;
　　4、差分SMA探头附件(示波器一般直接支持SMA连接，但是如果被测信号需要上拉如HDMI，则必须使用SMA探头附件)。
　　探头附件的电路结构如下图所示：
　　1、在探头附件尖端部分会有一对阻尼电阻(一般82ohm)，这对阻尼电阻的作用是消除探头附件尖端部分的电感的谐振影响;
　　2、探头尖端部分的后面是25Kohm的电阻，这个电阻决定了探头的输入阻抗(直流输入阻抗即电阻：单端25Kohm，差分50Kohm)，这个电阻使得被测信号传输到探头放大器部分的功率是非常小的，不至于对被测信号有较大影响。
　　3、25Kohm的电阻后面是同轴传输线部分，这个传输线负责把小信号传输到放大器。这个传输线的长度可以很长，也可以很短，中间可以加衰减器，也可以加耦合电容。
　　4、同轴传输线连接到放大器，放大器是50ohm匹配的(差分100ohm匹配)。

　　图17 有源探头附件的结构
　　有源探头为了保持探头的精确度，需要工作在恒温状态，所以探头放大器不能放置到高低温箱里进行高低温环境下被测电路板的测试。从探头附件结构中可见中间的50ohm传输线的长短不影响探测，所以可以用很长的同轴电缆或扩展同轴电缆，让这个同轴电缆伸进高低温箱里进行高低温换进下被测电路板的测试。如下图是N5450A扩展电缆，使用N5381A焊接探头附件，可以工作在-55°到150°温度范围。

　　图18 高低温探头结构原理
　　使用N5450A扩展电缆和N5381A探头附件，使用1169A 12GHz探头放大器，在-55°和150°环境下的频响曲线如下图所示，可见能够满足高速信号测试的要求。

　　图19 高低温探头在高低温下的频响
　　五、探头及附件准确度验证
　　下图是一个例子：被测信号是一个频率456MHz，边沿时间约65ps的时钟信号，分别使用不同类型的探头和探头附件的测试结果。
　　A图是使用12GHz的1169A差分探头和N5381A 12GHz焊接探头附件的测试结果，几乎完全复现被测信号;
　　B图是使用500MHz的无源探头的测试结果，显示的信号完全失真;
　　C图是使用12GHz的1169A差分探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号出现很大的过冲;
　　D图是使用4GHz的1158A单端探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号几乎是正弦波，失真较大。

　　图20 不同探头附件测试结果对比
　　从图中可见探头和探头附件对测试精确度的影响是非常大的，是我们测试高速信号应该重点注意的内容之一。那我们应该如何验证探头和探头附件呢?
　　验证探头和探头附件需要使用一台脉冲码型发生器(如:81134A，3.35GHz速率，60ps边沿的脉冲码型发生器)，如果示波器自带高速信号输出功能，也可以使用示波器的这个辅助输出口代替脉冲码型发生器(如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以发一个高速时钟：456MHz频率，约65ps边沿)。另外，需要同轴电缆和测试夹具(Infiniium示波器配置的探头校准夹具可以作为探头和探头附件验证测试夹具)。测试夹具的外表是地(Ground)，里面走线是信号(Signal)，如下图所示。使用时，通过同轴电缆把一端接到脉冲码型发生器或示波器的辅助输出AUX OUT端口，另外一端通过适配器连接到示波器的通道1上。

　　图21 探头验证夹具
　　然后把被验证的探头连接到通道2上，探头通过探头附件可以接触到测试夹具的信号和地(如果是差分探头，那么把+端连接到测试夹具的信号线，把-端连接到测试夹具的地上)。
　　1、如果探头不接触信号线，则屏幕上会出现一个原始波形，存为参考波形;
　　2、当用探头探测信号线时，通道1的波形会发生变化，这个变化后的波形就是被探头和探头附件影响后的被测信号;
　　3、这时，连接探头的通道2会出现一个波形，这个波形是探头测试到的波形;
　　4、通过对比参考波形，通道1的波形，和连接探头的通道2的波形，就可以直观的看出或通过测试参数读出三者的差别，可以验证探头和探头附件的影响。
　　

      图22 探头验证连接和原理
　　下图是实际验证的一个例子，图A把示波器的AUX OUT通过同轴电缆连接到测试夹具，测试夹具的另一端通过SMA-PBNC适配器连接到示波器的一个通道上(此例连接到通道3)，把探头连接到通道1上，此时调整屏幕上的波形，使得出现一个边沿阶跃波形，如图C所示，并把此波形存为参考波形。如图B把被验证探头和附件点测到测试夹具上，如图D所示，屏幕上出现3个波形，兰色的是参考波形，绿色的是受探头影响后的被测波形，黄色的是探头显示的波形，通过测试上升时间参数，过冲参数等，可确认探头和探头附件的性能。

 
　　图23 探头验证实例