电压探头的艺术

为正确的工作使用正确的工具是电子工程的基本原则。在本文中，Robert探索了工程师工作台上最常用的工具之一：示波器探头，特别是电压测量探头。他研究了不同类型的电压探头，以及有效和安全使用它们的技术。

欢迎来到阴暗面。你有没有试过戴滑雪手套去抓针头？很难，不是吗？以类似的方式，我相信您知道在测量您的电子系统时应该使用正确的工具。如果没有，您可能无法测量任何东西，或者更糟糕的是，认为您测量的东西是正确的，但得到的结果是完全错误的。错误的测量可能会导致错误的决定。本月，我将重点介绍一个非常常见的测试附件，它通常是许多测量错误的罪魁祸首：示波器探头，特别是电压测量探头。

一个基本的例子让我们从一个非常简单的例子开始。假设您在最新的项目前面，想要使用示波器测量其中一条电源轨上的噪音。不是火箭科学，对吧？我为你做了这个测试。我的办公桌上有一个我们几个月前设计的千兆以太网交换机的原型。该电路板包括一个围绕Rohm Semiconductor BD9A600-UV同步降压转换器芯片构建的5V至1.8V DC-DC转换器。如图1所示，我只需将示波器探头的尖端连接到电路板上的1.8V测试点即可。如你所知，这样的探头也有一个带鳄鱼夹的地线，我只需将它连接到0V电源输入即可。我使用标准的500兆赫1：10无源探头进行了这项测试，该探头配备了一个高性能的1 GHz Teledyne LeCroy WaveRunner 610Zi示波器。可以肯定的是，这个探头和示波器足以测量几兆赫兹的信号。我打开了示波器，得到了图2所示的曲线图。这里的垂直比例是10 mV/格。曲线图显示了20 mV的锯齿振荡，加上高达40 mV峰间的瞬态尖峰。那么，这个电源有大约60 mV的噪音，不是吗？

不对。让我们重复同样的测量，这一次没有长的接地夹线，而是使用非常短的接地连接。要做到这一点，您需要探头随附的小型附件套件。您通常会发现小弹簧形状的导线设计为直接安装在探头末端的接地管上(图3)。(如果您没有，您可以很容易地用较短的导线建造一个。)。然后，我用同样的显微镜和同样的探头，在相同的测试点上再次进行了测量，但将地面连接到最近可接近的接地垫。曲线图上的差异非常显著(图4)。还有20 mV的锯齿噪声，但瞬时尖峰消失了！

这是什么意思？简单地说，这些尖峰根本不存在于1.8V的电源轨上！它们是人工制品，是由长时间的地面连接造成的。回过头来看看图1，您就会明白其中的原因。地线和探头之间的区域实际上是一个捕获所有附近信号的环形天线。这里，DC-DC转换器MOSFET中的快速转变可能正在产生脉冲磁场，而这些脉冲磁场是由这个意外的天线“接收”的。

第一个例子说明了使用电压探头的第一条规则：对于要测试的信号和接地，始终使用尽可能短的连接！

快速信号？我的第一个例子是一个非常低频率的应用程序，您可以看到，即使在那里，长时间或不适当的接地连接也会产生恶劣的影响。当频率增加时，或者当信号具有更快的转换(实际上是相同的)时，这种不正确的接地连接也可能危及被测信号本身。为什么？很简单，因为一根长的接地线起到了电感的作用。这个电感可能会改变测量结果。

为了向你展示这一现象，我使用了我手头的一块测试板，它基本上只包括一个1.8V的快速逻辑门。我用实验室发电机提供的50兆赫时钟驱动它。然后，我将同样的500 MHz 1：10探头连接到逻辑门输出，首先将标准的长接地线夹在附近的接地上(图5)。我配置了示波器来测量逻辑信号的上升时间，结果如图6所示，这里测量的上升时间为1.7 ns，但信号显示出很大的超调和长时间振荡。

差分探头：我想介绍的最后一种探头也是最强大的：有源高频差分探头。与上述有源探头一样，它包括一个内置前置放大器，设计为连接到50-Ω输入；此外，它还具有两个差分输入，使其能够直接测量两个信号之间的电压差，而不会出现任何接地或公共电压问题。这些探头特别适用于以太网、PCI或USB等差分信号。多亏了它们的结构，这种差分探头最高可达30 GHz或更高。警告：它们不应与另一种差动探头-低速绝缘差动探头-混淆，后者是为高压系统测量而设计的。概念相同，但设计和应用不同。

让我们再回到我的1.8V快速逻辑门的例子。请记住，我使用500 MHz 1：10无源探头测量了1.7 ns的上升时间(图8)。为什么不用高性能的Z0探头进行同样的测量呢？我抓起一个Tektronix P6150探头，连接到同一个测试点，图10显示了这个被动探头。接地非常短，提供高达9 GHz的带宽和低至0.15pF的寄生电容。Keysight也提供类似型号，如HP-54006A。我将示波器的输入阻抗切换到50Ω，结果相当不错(图11)。可以看到一些有限的振铃，但现在测量的上升时间只有414ps！这表明，使用500 MHz无源探头进行的第一次测量实际上是测量探头上升时间，而不是电路上升时间。

为什么不使用更高性能的配置进行最后一次测试？嗯，在这里我必须承认我很幸运。首先，我可以不受限制地进入我公司的实验室，其次，我们在那里有一些严肃的玩具。我移到另一张桌子上，打开了我们的Monster Scope，也是Teledyne LeCroy的，13 GHz，4×40GS/s，WaveMaster 813Zi-B(图12)。我还抓取了同一家供应商的6 GHz WaveLink D610差分探头，并将其连接到同一个1.8V逻辑门的输出。由此产生的测量值如图13所示。这里的水平刻度为每分频200 ps(是的，皮秒)，现在评估的上升时间仅为315 ps。没有超调，没有奇怪的行为。这就是为什么这么大的范围和这么差的探头要花很多钱的原因！

总而言之，我知道你们中的大多数人将无法接触到这样的高端设备，但我想向你们展示的是，为给定的电压测量选择正确的探头必须小心。正确使用它也非常重要，即使对于简单的任务也是如此。

第一条基本规则：始终使用短接地。用探头附带的鳄鱼夹扔掉长接地线，使用非常短的接地线。如果您有任何疑问，请检查这两个选项是否得到相同的结果。还要记住，1：1被动探头在10或20 MHz以上，或者对于速度超过100 ns的信号是无用的。良好的1：10无源探头可以使用频率高达500 MHz，但只能在超短接地的情况下使用。

正如所解释的那样，如果电路可以承受500Ω的负载，那么所谓的Z0探头也是非常有效的。这些探头可以非常容易地自制，只需一根50-Ω的电缆和一个450Ω的贴片电阻作为尖端。如上所述，一个470-Ω的电阻器也可以工作。

最后，如果您有幸找到价格合理的高频有源探头或高速差分探头，请不要犹豫并购买它们。

现在您可以看到，每个应用程序都有探测。只是为了好玩，我忍不住给你看了一张我们几年前为一个特定项目购买的旧的但相当不寻常的探头的照片-Tektronix P6015高压探头(图14)。很有异国情调，不是吗？这款探头的设计工作电压高达40,000 V。最有趣的是，该探头配备了一罐氟碳高压电介质液，当探头在13,000 V以上工作时，应用该液体填充探头。相当专业，但有时也很有用。

最后一句话：“探索的艺术”已经被比我强得多的模拟大师深入地讲解了。巡回酒窖的文章材料网页上提供的链接是绝对强制性的。其中包括吉姆·威廉姆斯、鲍勃·多布金和鲍勃·皮斯的读数。你会学到很多东西的。另外，在YouTube上有一段42分钟的精彩视频，由Bob Pease以及泰克和TI的专家共同制作。它的名字是“不管怎么说，这些范围探测的东西是什么？”

在我的下一篇专栏中，我将继续以同样的精神讨论和试验当前的探索。在此期间，只需玩玩你的望远镜，玩得开心就行了！

资源模拟器件|www.alog.com Keysight|www.keysight.com ROHM半导体|www.rohm.com Tektronix|www.tekronix.com Teledyne Lecroy|www.teledynelecroy.com德州仪器|www.ti.com。

发表在Circuit cellar杂志·2019年2月#343-获取该问题的PDF。

注：我们已经提供了2017年10月号的Circuit Cella，作为免费样品发行。在它里面，你会找到丰富多样的文章和信息，这些文章和信息都是本期杂志的典型例证。

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