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如何构建自己的示波器探头

文章：马丁布朗

为了观察快速转换，需要至少1GHz带宽的示波器。不幸的是，大多数商业上可用的电压和电流探头在如此高的频率下是不够的。

随着现代电源在工作频率上的优势上升，工程师已经开始迁移到高频电源开关和整流技术。传统平面或沟槽MOSFET开关的上升/下降时间为30nsec到60nsec，正在让位于功率开关，如超结MOSFET, GaN MOSFET, SiC MOSFET和SiC肖特基整流器，开关时间小于5nsec。

要查看此类快速转换，通常需要具有至少1GHz带宽的示波器。遗憾的是，在这些高频下，大多数商业电压和电流探针都是不充分的。平均示波器探头具有小于300MHz的带宽。电流探头可以具有60MHz至100MHz或更低的带宽。此外，高频电压探头经常花费超过12,000美元，略微更好的电流探头从4,000美元起。对于为中型公司工作的电力工程师，只有一条路径：建立自己的探针。
设计和构建高频电压和电流探头需要良好地了解RF，寄生，传输线理论和场理论。

商业探测缺点

商用示波器电压和电流探头是坚固的，符合人体工程学的设计和准确。它们很好地服务于市场，在这些市场中绝大多数应用程序的运行频率远远低于1GHz。新一代开关晶体管的工作频率和边缘超过1GHz，导致在sub 5ns范围内上升和下降次数。

商业探头的低带宽限制了精确测量。工程师们通常认为缓慢的上升和下降时间是理所当然的，他们很容易忽视遗漏的信息。此外，普通探头与信号源的连接会造成失真。这些连接具有相当长的非屏蔽连接引线，特别是接地引线。一个4-6in (10-15cm)的接地引线可以从电路或其他源接收到辐射噪声，并将其作为共模信号注入同轴电缆。这种未被识别的噪声增加了真实的信号。

图1显示了典型的商用电压探头。它包含作为循环天线的非屏蔽信号或接地线的长度。它拾取的噪声量与循环尺寸和噪声能量和噪声谱量成比例。只需将接地导线剪切到探头尖端并将其靠近目标电路板即可，即可查看此噪音。

图1：公共电压示波器探头结构有一个接地导线，您将剪辑到被测电路。

相反，您可以构建自己的50Ω电压探针。通过构造自定义50Ω电压探头，您可以更好地定义和理解电路中真正发生的事情。构建50Ω电压探头的总体目标是:

从电路到示波器构造一条已知的、安静的高频信号通路。
尽可能多地提供沿信号路径的屏蔽。
获得控制尽可能多的寄生影响的能力。

1:1屏蔽同轴电压探头

对于低于示波器输入的最大输入电压额定值的信号，您可以使用50ΩBNCCoax电缆的切割长度作为探头。非屏蔽中心导体和屏蔽尾纤的长度应保持在小于1英寸（25厘米）以最小化噪声拾取器。为了在特定节点处查看信号，将中心导线直接焊接到该节点;地面铅应该焊接到最接近的相关地面。也就是说，不是在探测和感兴趣的节点之间具有长PCB迹线长度的地面。该探头仅提供从目标电路到示波器的高频信号屏蔽。示波器范围的输入终端设置应为1MΩ。图2显示了1：1屏蔽探头的设计。

图2：1：1屏蔽电压探头基于同轴电缆。探头尖端（LU）和地面引线（LG）的电感将限制带宽，但小尺寸将有助于最小化噪声拾取器。

N:1个50Ω电压探头

N：1探针旨在用于超过超出示波器输入放大器的最大电压额定值的信号幅度（包括任何尖峰）。该探测器是一个更复杂的构造。其简化的示意图如图3所示。

图3:N：1电压探头的简化原理图显示了串联电阻Rs，其需要一些计算以找到其值。

这就把我们带到了确定检测电阻(RS)值的第一个也是重要的步骤。这并不像你想象的那么简单。有几个因素你应该考虑。

将示波器的输入端接设置为50Ω。示波器的内部50Ω终端电阻成为电阻分压器电路的底部电阻。您可以安全地假设该电阻优于0.1％的容差。其功耗不应超过0.25W。该功率评级设置了可以进入示波器输入的最大电流。

额外的注意事项包括:

信号通过50Ω终端电阻的最大振幅。
电源消散在串联电阻（RS）内。
加载在输入电路上。

所有这些考虑必须相互平衡，它们将决定示波器输入放大器的增益设置。如果信号太低，示波器输入增益必须设置在<100mV范围内。显示信号变得有噪声，因为输入信号非常接近输入放大器的噪声下限。这种噪声导致ADC输入分辨率的降低。该信号只能由ADC的最低4位ADC(假设是8位ADC)获取。您最终将看到最小有效位(lbs)的量化步骤。这在某种程度上是不可避免的，特别是在具有高降压比的探头中。图4显示了1000:1 50Ω探针的典型显示。

图4:低级示波器迹线通常在输入信号上显示量化噪声。