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示波器探測執行效能最佳化的8大秘訣
恰當的探棒是可靠測量的第一步

【作者: 王岫晨】   2019年04月12日 星期五

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圖一 : 選擇恰當的探棒是執行可靠測量的第一步。而如何使用探棒,也會影響獲得有用的測量結果。
圖一 : 選擇恰當的探棒是執行可靠測量的第一步。而如何使用探棒,也會影響獲得有用的測量結果。

探測技術對於高品質的示波器測量來說,是非常重要的。而探棒通常是示波器測量鏈中的第一環。如果探棒的性能不足,就會在示波器上看到失真訊號或誤導訊號。為測試應用選擇恰當的探棒是執行可靠測量的第一步。而如何使用探棒,也會影響執行精確測量的能力,以至於影響獲得有用的測量結果。本文將透過8個重要秘訣,幫助工程師為自己的應用選擇適當探棒,提高示波器探測能力,並避免最常見的探測陷阱。


秘訣1 選擇被動或主動探棒

對於低於600-MHz的中低頻測量來說,被動高阻抗探棒是很好的選擇。這些探棒堅固耐用且價格經濟,具有大於300 V的寬動態範圍和高輸入阻抗,因此可與示波器的輸入阻抗相匹配。不過,和低阻抗被動探棒或主動探棒相比,被動探棒具有更高的電容負載,而且頻寬較低。總之,對於絕大多數類比或數位電路的通用除錯和故障診斷來說,高阻抗被動探棒都是一個極好的選擇。


對於在寬頻範圍上(大於600MHz)需要執行精確測量的高頻應用來說,最好選用主動探棒。主動探棒比被動探棒價格較高,並且其輸入電壓有限,但是由於它們的電容負載顯著降低,因而能更精確地觀察快速訊號。


秘訣2 使用雙探棒檢查探棒負載

探測電路之前,先將一個探針連接到電路上的一點,然後再將第二個探棒連接到同一點。在理想狀況下,會看到訊號無任何變化。如果訊號產生變化,這個變化是由探棒負載引起的。在理想狀況下,示波器採用無擾線(具有無限的輸入電阻、零電容和零電感)連接到待測電路,它能對待測訊號執行精確複製。但在現實世界中,探棒是測量的一部分,它會向電路載入負載。


如欲檢查探棒的負載效應,首先要將探棒連接到待測電路或一個已知的步進訊號,另一端連接到示波器的輸入端。在示波器顯示幕上觀察此軌跡,然後保存,再在顯示幕上調用以使跡線保留在顯示幕上執行比較。之後可將相同類型的另一個探棒連接到同一探測點,觀察在使用兩個探棒執行探測時原始跡線有何變化。為了更佳執行探測,可能需要對探測執行調整,或者使用較低負載的探棒。


秘訣3 使用前的探棒補償

大多數探棒在設計時,都和特定示波器型號的輸入相匹配。不過,各個示波器之間也是略有差別,甚至在同一示波器的不同輸入通道之間也有差別。所以在將探棒連接到示波器的輸入端之前,一定要確保首先檢查探棒補償,因為此探棒先前可能已經過調整,以便和不同的輸入相匹配。


為了解決這個問題,大多數被動探棒都採用內建補償RC分壓器網路。探棒補償是調整RC分壓器的過程,以使探棒維持在額定頻寬上的衰減率。如果示波器能夠自動補償探棒性能,使用該功能將會非常有用。否則,可使用手動補償來調整探棒的可變電容。大多數示波器在前置面板上都可提供方波參考訊號以對探棒提供補償。


秘訣4 低電流測量秘訣

隨著當前電池供電設備和積體電路變得越來越注重環保和高效能,工程師迫切需要高靈敏度的低電平電流測量能力,以確保電流消耗處於可接受的範圍之內。需要精確測量功耗的主要應用,是無線行動設備和消費類電子產品等使用電池供電的應用。為了儘量延長電池的使用時間,工程師需要最大限度降低產品在整個使用壽命中的功耗。功率定義為P=V×I。降低設備功耗的主要方法是在電源電壓固定不變的情況下,減少設備的平均電流消耗。


測量由電池供電的行動設備的電流消耗,最主要的挑戰是電流訊號的動態範圍非常寬。行動設備通常需要在活動狀態,與閒置或待機電流模式之間來回切換。可是,這種方法並不適合測量從不到1毫安培快速變到幾安培的小電流, 因為鉗形電流探棒的動態範圍和靈敏度都非常有限,僅有幾毫安培。而且,為獲得更精確的測量,工程師必須不定期地對探棒執行消磁處理,以消除探棒核心的殘餘磁性,並補償鉗形電流探棒的直流偏置。


秘訣5 使用差動探棒執行安全浮動點測量

示波器使用者經常需要執行浮動點測量。在這種測量中,任何測量點都不能潛在接地。在執行標準示波器測量時,探棒連接到訊號點,探針接地引線連接到電路接地,此時,示波器實際測量的是測試點和接地之間的訊號差。大多數示 波器都將其訊號接地終端(或BNC介面的外殼)連接至防護接地系統。此舉可使示波器上的所有訊號均有一個共同的連接點。基本上,所有示波器測量都是相對於「接地」來說的。本質上,將接地連接器連接到任何一個浮動點都可使探測點接地,這常常造成尖峰或電路故障。那麼應如何應對這種浮動點測量問題呢,目前執行浮動點測量有一個很流行,但卻不太可取的解決方案,那就是AB技術,它使用兩個單端探棒和示波器的運算函數來執行浮動點測量。


秘訣6 檢查共模抑制

探測時最易產生誤解的問題之一,是共模抑制可能會影響測量品質。無論是單端探棒還是差動探棒,將兩個探針均連接到待測物的接地,然後觀察螢幕上是否有任何訊號顯示都是值得的。如有訊號顯示,該訊號顯示的就是由於缺少共模抑制而引起的訊號受影響程度。測量由源頭而非訊號造成的共模雜訊電流,可從待測物的接地流經探棒接地,直至探棒電纜遮罩。共模噪音源可能在待測物內部,也可能在其外部,例如電源線雜訊、EMI或ESD電流。單端探棒的長接地引線可能會使該問題變得非常明顯。單端探棒常常會遭到缺少共模抑制的影響。差動主動探棒則可提供更高的共模抑制比,通常可高達80dB(10,000:1)。


秘訣7 檢查探棒耦合

在將探棒連接至訊號時,用手抓住探棒電纜並繞圈移動。如果螢幕上的波形發生嚴重改變,那就說明能量就已耦合到探棒遮罩,產生了這個改變。透過使用探棒電纜上的磁芯來降低電纜遮罩的共模雜訊電流,可能有助於提高探測精準度。探棒電纜上的磁芯會生成一系列的阻抗與導體中的電阻並聯。增加探棒電纜的磁芯對訊號幾乎沒什麼影響,因為訊號通過中心導體的核心並沿著遮罩的核心返回,致使沒有淨訊號電流經過核心。


因此,電纜磁芯的位置非常重要。為方便起見,可嘗試著將磁芯安裝在示波器一端。這將使探棒變得更輕、更易於操作。不過,在將磁芯安裝到電纜的探棒介面端時,磁芯的有效性將會大大降低。減少單端探棒接地引線的長度將會有 一定的幫助作用,轉而採用差動探棒是最有效的措施。很多用戶都不能理解探棒電纜環境的改變會造成測量結果的改變,尤其是在執行高頻測量時,它會造成測量可重複性和測量品質的下降。


秘訣8 阻尼諧振

探棒性能受到探棒連接的高度影響。由於設計中訊號速度的提升,因此在連接示波器探棒時可能會發現更多過沖、振盪和其他擾動。探棒會在與元件的連接位置形成一個諧振電路。如果諧振位於示波器探棒頻寬內,確定測量擾動源於電路或是探棒將變得十分困難。


(本文參考資料:是德科技應用指南 8大秘訣更佳執行示波器探測)


應用方案

是德科技Infiniium V系列示波器


圖二 : 是德科技Infiniium V系列示波器
圖二 : 是德科技Infiniium V系列示波器圖片來源:keysight.com

是德科技:「我們讓開發工程師能夠精準洞察所量測到的信號。」


全球示波器擁有12億美元的市場規模,如此大的一塊餅,當然也吸引了許多廠商競相開發更好的產品,來獲取更大的商機。而在高階示波器市場上,是德科技也持續扮演著領導者的角色。面對高速數位訊號測試需求不斷提升的情況下,是德科技也推出全新的Keysight Infiniium V系列示波器,來補足高階示波器市場的最後一塊拼圖。


Keysight Infiniium V系列問世後,工程師便可又快又準確地執行所有測試,進而更快將新產品推出上市,並且增強對設計品質的自信度。


太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器


圖三 : 太克科技MSO70000系列混合訊號示波器
圖三 : 太克科技MSO70000系列混合訊號示波器圖片來源:tektronix.com

太克科技:「這是首見的高效能整合式MSO系列產品。」


太克科技推出MSO70000系列混合訊號示波器,該公司表示,此為首見的高效能整合式MSO系列產品。這部儀器擁有多達二十個量測通道,可以4~20GHz的類比頻寬和80ps 的數位通道時序解析度進行擷取。隨著MSO70000的推出,太克科技現在在市場上擁有完整的混合訊號示波器產品組合;提供十七款MSO機型,從可攜式的MSO2000一直到市面上快速的 20GHz MSO72004混合訊號示波器。


MSO已成為嵌入式系統工程設計的首選工具,這個領域對建立類比與數位訊號的關聯有強烈的需求。現今,網路交換器和資料伺服器等嵌入式系統正採用更快速的技術,因而需要更高效能的MSO。其他如高速串列與數位射頻的應用領域,也需要完整的系統能見度。隨著MSO70000系列的推出,太克科技提供了良好的類比/數位擷取效能與多樣化的探測方案。


羅德史瓦茲RTP示波器


圖四 : 羅德史瓦茲RTP示波器
圖四 : 羅德史瓦茲RTP示波器圖片來源:rohde-schwarz.com

台灣羅德史瓦茲:「我們正式進軍高階示波器市場!」


R&S RTP系列在開發過程中,特別著重於量測精準度、速度和新技術,並完整地結合多種儀器功能,是研發過程中故障排除的絕佳選擇,例如測試具快速數位介面或寬頻無線射頻傳輸介面的嵌入式元件。R&S RTP高效能示波器結合了訊號完整性與高擷取速率,在標準擷取模式下,每秒可量測一百萬個波形,比其他同類示波器快一千倍以上,能幫助使用者更快地發現零星錯誤,並可即時補償訊號源到示波器之間的傳輸損耗。


此外,R&S RTP 可滿足高頻應用量測需求,舉凡航空、國防、汽車、工業和通訊等領域;同時亦適用高速數位介面測試如高速匯流排(USB、PCI Express、MIPI)、無線電或雷達等射頻介面、DDR記憶體介面、電源管理元件,及簡單的控制和編程匯流排。R&S持續致力於示波器市場的創新,透過發表新一代R&S RTP系列,R&S宣告正式進軍高階示波器市場。


NI PXI架構高速示波器


圖五 : NI PXI架構示波器
圖五 : NI PXI架構示波器圖片來源:ni.com

國家儀器:「PXI架構可大幅縮短測試時間。」


NI高速示波器具有強大的儀器整合,再加上高輸出PXI匯流排有助於縮短測試時間,非常適合高頻寬自動化量測作業。NI高速示波器搭載了NI專利T-Clock同步化技術,可藉此建置高達34個相位同步1GS/s通道所組成的系統,並且進一步整合其他NI硬體,打造出完整的自動化混合式訊號測試系統。


大多數的自動化測試與多重工作台應用,均需要多類型的儀器,如示波器、訊號產生器、數位波形分析器、數位波形產生器,與切換器等。PXI與NI模組化儀器既有的時序與同步化功能,可同步上述的所有儀器,且不需額外接線。PXI的模組化特性大幅提升了速度,且使用者不需再耗時操作,進而提高效率。


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