如何抑制示波器和探头过冲和振铃?

2023-12-08 是德科技 Keysight Technologies知乎
示波器探头,无源探头,有源差分探头,1156A-58A 示波器探头,无源探头,有源差分探头,1156A-58A 示波器探头,无源探头,有源差分探头,1156A-58A 示波器探头,无源探头,有源差分探头,1156A-58A

示波器探头是示波器外部的电路器件,其作用是从被测电路中探测信号,当探头接入被测电路后,探头会成为测试电路的一部分,而探头和示波器相连接,探头又会成为示波器测量系统的一部分。所以探头的电路设计非常重要。由于探头中存在分布电容和分布电感,尤其在进行高频信号测量的时候会使信号的频率特性变差。

示波器探头和探头附件

过冲的定义

信号在传输的过程中,往往不是标准的矩形波信号,尤其在高速信号中,保证信号的完整性是十分重要的,影响信号完整性最主要的因素之一,就是阻抗不区配,通常表现在传输线上,而阻抗不区配直接导致信号的反射,反射信号与原始信号叠加,就会产生过冲、回沟、台阶等信号完整性问题。


什么是过冲 (Overshoot) ?

过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。过冲的影响,主要考虑:过冲的最大幅值、过冲的持续时间、过冲的发生频率这三个要素。

过冲是大边沿转换后的失真,以幅度的百分比表示。X光标显示正在测量的边沿(距触发参考点最近的边沿)。

图1 过冲是大边沿转换后的失真,以幅度的百分比表示

图2 带有过冲和振铃的重复数字脉冲

示波器自动过冲测量

什么是下冲 (Undershoot) ?

下冲是指下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作,导致过早地失效。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误(误作)。


什么是前冲 (Preshoot)?

前冲是大边沿转换之前的失真,以幅度的百分比表示。X 光标显示正在测量的边沿(距触发参考点最近的边沿)

什么是振铃?

振铃是指当电路中存在反馈环路时,由于信号幅度过大或相位差不当而产生的高频波动。这种波动会导致输出信号的振荡和失真,从而影响电路的正常工作。


与过冲非常相关的是振铃,它紧随过冲发生,信号会跌落到低于稳态值,然后可能会反弹到高于稳态,这个过程可能持续一段时间,直到稳定接近于稳态。振铃持续的时间也叫做安定时间。过冲是振铃的一部分,信号电平发生跳变后,第一个峰值电压或谷值电/压超过设定的标准电压,主要表现为一个尖端豚冲。


过冲和振铃的危害

1、当过冲幅值较大或持续时间较长时,可能回导致电路元器件的失效;

2、振铃产生的电压波动,可能回多次跨越逻辑电平的电压國值,造成接收端的误判


如何消除示波器探头所产生的过冲和振铃现?

下面我们介紹消除示波器探头所产生的过冲和振铃解决方案。

如何消除示波器探头所产生的过冲和振铃现象,抑制示波器测试系统自身产生谐振对于真实电路测量的影响?

所有的LC电路都可能会产生谐振,示波器探头也是LC电路,在使用过程中,要避免示波器探头自身带来的谐振现象产生振铃, 从而影响对于信号的真实测量。

随着设计电路中信号工作频率越来越高,连接示波器探头时,就需要更加关注过冲和振铃问题。如果在所用探头的带宽范围内发生谐振,就很难断定测量干扰是来自电路,还是来自测量探头,影响结果的测试真实性。

图3 示波器探头阻抗模型


首先来认识以下示波器探头阻抗模型,从图3可以看出探头是一个串联谐振电路。

对于串联谐振电路,当达到谐振频率点时,系统阻抗降低为最小,引起电压的剧烈变化从而产生过冲或振铃现象。如图4:

图4 过冲或振铃现象

示波器和探头测试,要如何抑制过冲和振铃,先了解几个概念和公式:

谐振指的是电路中的感应电抗和电容电抗在特定频率处相互抵消,这个特定频率就叫做“谐振频率”。电感器电抗和电容器电抗的值在谐振频率处变为相等,两者相互抵消,最终相加之和为零。因此 2πfL=1/2πfC

谐振频率计算公式:

谐振强度可通过指数Q(质量因子)来表示。Q越高表示谐振越强。

对于串联谐振电路来说 Q=2πfL/R ,f是谐振频率,进一步推导可以得出Q的公式:

由公式看出,抑制探头自身产生过冲和振铃的方法:

1. 根据谐振频率计算公式可以看到,减小电感,提高谐振频率,谐振频率移至示波器和探头带宽之外,从而尽量减少对测量的影响。参考图3探头阻抗结构图,在测试时尽量减少测试引线和接地线长度从而降低电感。(每英寸电线会产生高达 25-nH的电感到探头等效电路中。)

2. 降低谐振强度Q,根据Q的计算公式,可以增大R,引入阻尼电阻来降低谐振强度,抑制测试系统中产生过冲和振铃。是德科技InfiniiMax系列探头都标配前端阻尼电阻降低谐振强度,确保信号测试真实性。

关于阻尼谐振

探头性能受到探头连接的高度影响。由于设计中信号速度的提升,您在连接示波器探头时可能会发现更多过冲、振荡和其他扰动。探头会在与器件的连接位置形成一个谐振电路。如果谐振位于示波器探头带宽内,确定测量扰动源于电路或是探头将变得十分困难。如果您必须在探针上添加电线以便在狭窄的环境中进行测量,可在探针上放置一个电阻器以阻尼添加电线的谐振。


对于单端探头来说,应将电阻放在信号引线上,并尽量保持接地引线短路。对于差分探头来说,可将电阻器放置在引线尖上,并保持引线长度相同。电阻器的值可通过先探测一个已知步进信号通过夹具电路板(如E2655B 探头偏移校正和性能验证套件)进入示波器通道的信号值来确定。然后再探测线尖上装有电阻器的电线信号。当电阻器的值恰当时,除非信号经过了低通滤波,否则您应看到和测试步进相似的步进形状。如果您看到过量振铃,请增加电阻器值。

图 6. 在探针上放置一个电阻器来阻尼添加电线的谐振

图 7. 通过对探头输入进行恰当阻尼,负载 / 输入阻抗将永远不会低于阻尼电阻器的值

图 8. 随着设计速度的增加,您可能会看到更多的过冲、振铃和其他扰动问题。通过在探针上添加阻尼电阻器可以克服由探头连接形成的谐振

图 9.InfiniiMode N2750A 系列、1156A-58A 系列和 InfiniiMax 系列探头圴使用这种阻尼附件技术来达到最佳且灵活的性

探头的阻尼附件提供了一种灵活的使用模型,在其规定带宽内可以维持低输入电容和电感以及平坦的频率响应。 KEYSIGHT InfiniiMode N2750A有源差分探头 系列、1156A-58A 系列和 InfiniiMax 系列探头圴使用这种阻尼附件技术来达到最佳且灵活的性能。


改锥用来调节N2873A无源探头的可变电容,大多数示波器都有可以用于校准或参考的方波输出,探测这个连接,检查波形是否为方形。根据需要调整可变电容,以消除所有下冲或过冲。

N2873A无源探头


技巧 - 使用双探头检查探头负载

图 10:使用双探头检查探头负载


高阻抗无源探头和有源探头比较

表1. 高阻抗无源探头和有源探头比较

探测电路之前,先将一个探针连接到电路上的一点,然后再将第二个探头连接到同一点。在理想状况下,您应看到信号无任何变化。如果信号产生变化,这个变化是由探头负载引起的。


在理想状况下,示波器采用无扰线(具有无限的输入电阻、零电容和零电感)连接到被测电路,它能对被测信号进行精确复制。但在现实世界中,探头是测量的一部分,它会向电路加载负载。


如欲检查探头的负载效应,首先要将探头连接到被测电路或一个已知的步进信号,另一端连接到示波器的输入端。在示波器显示屏上观察此迹线,然后保存,再在显示屏上调用以使迹线保留在显示屏上进行比较。稍后,将相同类型的另一个探头连接到同一探测点,观察在使用两个探头进行探测时原始迹线有何变化。

为了更好地进行探测,您可能需要对探测进行调整,或者使用较低负载的探头。例如本例中,缩短接地引线就能起到好的效果。在图 11-1 中,电路接地采用 18 cm (7 英寸)长的接地引线。

图 11-1. 由长接地引线引起的探头负载

图 11-2. 使用短接地引线降低探头负载

在图 11-2 中,同一信号接地采用弹簧接地引线。在使用较短的接地引线后,探测信号(紫色迹线)的振铃就消失了。


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型号- N2830A,N7008A,N7040A,P6241,P6243,E2614A,P6245,1250-4403,P6246,P6247,P6248,P6249,N5439A,N1022B,MX0103A,N2878A,N4839A,N27891A,N7007A,P6701B,P6250,P6251,E2615A,N2768A,N2877A,N2744A,90000X,N7042A,E2616A,MX0105A,90000 X,90000A,E5404A,N4829A,N2779A,N2888A,N2876A,N2750A SERIES,E2697A,N2851A,N7009A,N5450B,1160A-65A,N7041A,N2819A,P6711,N280XA,P5210A,P6713,P6703B,N2778A,N2766A,N2887A,N2875A,E5396A,MV-23,N4863A,N2874A,N5451A,N7020A,N7032A,P6205,N2818A,N2789A,0960-2907,N2777A,54904-61622,0960-2908,E5385A,N4864A,10070D,N4840A,N2885A,N2873A,N2752A,N5440A,MX0106A,90000 SERIES,N2829A,N2817A,N2776A,N2805A,N4853A,E5394A,N4841A,N2884A,N2751A,N2872A,MX0109A,N5477A,N7010A,N7022A,N2828A,54850,N2787A,N2816A,N2804A,N4842A,N2870A-76A,N4854A,N2786A,E5383B,N2750A,N2871A,N5442A,N7021A,N7033A,E2613A,N2839A,9000A,N2848,N2827A,N2803A,E2678B,N4831A,N2870A,N4843A,N2797A,N2785A,N5443A,N7000A,N7024A,10073D,80000,DP0002A,10467-68701,N2838A,N2826A,N2802A,N2881A,E2643A,E2655C,N2796A,N2784A,N2893A,1134B,1146B,N5444A,N7023A,E2679B,DP0001A,P5205,1147B,1147A,N2801A,N2849A,N2825A,N4844A,N2783B,E2644A,N7026A,N2880A,N5380B,N2795A,P5205A,N2783L,P5210,1131B,N5445A,N7002A,E2668B,N2812A,N2848A,N2836A,N2824A,N4845A,N2891A,N2782B,N5381B,N2697A,1168B,1132B,10072A,N7001A,E2669B,MX0023A,1169B,N2823A,N4846A,TCP202,N4822A,N2835A,N5446A-006,N7004A,N5446A-005,N2781B,N5446A-004,N5446A-003,10077A,N5446A-002,N5447A,N5446A-001,90000 Q-SERIES,N2822A,N7003A,N2780B,E2675B,10 076C,1130B,N5448B,5959-9334,N2833A,N2821A,E5346A,N4836A,10085-68701,N2791A,E2676B,N7006A,01650-61609,N700XA,10075A,N5425B,5968-4632E,N5449A,N2832A,N4837A,N2832B,N2820A,E2677B,N7005A,N2790A,11447B,N2831B,10076C,N5426A,MX0100A,N7042 A,N2831A,N4838A,5090-4833,N2879A

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Keysight(是德科技)InfiniiVision示波器探头和附件选型指南(中文)

目录- 探头兼容性表    无源探头    极限温度无源探头    高压无源探头    InfiniiMax 有源探头和附件    InfiniiMode 有源探头和附件    通用差分有源探头    高压差分有源探头    单端有源探头    混合信号示波器逻辑探头    钳形电流探头    罗氏线圈交流电流探头    高灵敏度电流探头    楔形探头适配器    其他附件    T2A 探头接口适配器    推荐用于中/低速总线测量的探头   

型号- N2830A,N7008A,N2111A,N7040A,P6241,P6243,E2614A,P6245,P6246,P6247,P6248,N2919A,P6249,N4839A,N4827A,N2842A,N2733B,N2841A,N7007A,P6701B,P6250,P6251,E2615A,60001,N2889A,N2756A,N4828A,N2744A,N2853A,N2732A,N2840A,4000 X 系列,N7042A,E2616A,N2917B,N2779A,N28XXA,N287XA,N4829A,E5404A,N2755A,N28XXB,1000 X系列,N2863B,N2851A,N7009A,N5450B,N7041A,N2819A,P6711,P5210A,P6713,P6703B,N2778A,N2916B,E5396A,N4863A,N2143A,N5451A,N2862B,N7020A,3000 X 系列,P6205,N2818A,N2789A,N2777A,0960-2908,N6456A,N4864A,E5385A,10070D,N4840A,N287XA 系列,N2752A,N2873A,N2142A,N2829A,CN2856A,N2817A,6000 X系列,N2776A,N2805A,5000 系列,N4853A,E5394A,N4841A,N2763A,N2751A,N2141A,N2828A,N2787A,N2816A,6000 X 系列,N2804A,N4842A,N4854A,E5383A,N2786A,N2750A,N2140A,E2613A,N6457A,N2827A,N2803A,E2678B,N4831A,N4843A,N2797A,N2785A,N2894A,01650,N7000A,10073C,10073D,1130B 系列,DP0002A,N2826A,N2802A,N2881A,N2760A,E2643A,N2796A,N2784A,N2893A,1134B,1146B,10074C,10074D,E2679B,61607,DP0001A,P5205,1159A,1147B,N2801A,N2849A,N4844A,N2825A,N2783B,E2644A,N7026A,N2880A,1250-3978,N5380B,N6450,N2795A,1155A,P5205A,N2783L,7000 系列,P5210,1131B,N7002A,E2668B,1168A,N2800A,N4845A,N2824A,N2782B,N2891A,6000 系列,5081-7696,1168B,1132B,10072A,N7001A,E2669B,N7013A,MX0023A,0960-2978,0960-2979,0960-2977,1169B,1169A,01650-63203,N4846A,N2859A,5081-7690,4000系列,N4822A,TCP202,N2793A,N2781B,N2890A,10077A,0960-2981,3000系列,0960-2982,1153A,0960-2985,0960-2986,0960-2983,0960-2984,0960-2989,0960-2987,0960-2988,N2822A,N284XA,N4847A,N2858A,N7003A,2000 X系列,N2792A,N2780B,E2675B,4000 X系列,0960-2990,1154A,1130B,N2821A,N4848A,N4836A,E5346A,10085-68701,N2857A,E2676A,N2791A,N7006A,01650-61607,10075A,N5425B,N2856A,N2832A,N4837A,N2820A,N4849A,E2677B,N2790A,1180CZ,10076C,1152A,N5426A,N2843A,N2831A,N4826A,N4838A

2020年6月4日  - KEYSIGHT  - 选型指南

为什么尽量使用尽量短的引线来保持示波器探头带宽和精度?

为了进行最准确的测量,最好使用尽量短的示波器探头探针。示波器探头对您的设备施加的电阻、电容和电感负载效应会影响您在示波器屏幕上看到的信号。这些负载效应可能会改变被测电路的工作状态。了解这些负载效应,有助于您避免为特定的电路或系统选择错误探头。

2024-06-14 -  技术探讨

Keysight(是德科技)示波器探头和附件选型指南

目录- Oscilloscope Probes Accessories    Passive probes    Single-ended active probes    Differential active probes    current probes    Optical-to-electrical converter    Oscilloscope Accessories   

型号- N2870A,E2678B,N2797A,N2830A,N2785A,N2894A,N2882A,N7040A,N7000A,E2614A,10073D,N7024A,N5439A,N1022B,N2878A,N4827A,N2842A,N2826A,N2802A,N2881A,E2643A,E2655C,N2841A,N7007A,N2796A,N2784A,N2893A,1134B,54620-68701,N5444A,1146B,E2615A,N7023A,E2679B,DP0001A,1147B,N2889A,N2801A,N2768A,N2756A,N2877A,N2744A,N2825A,N2783B,E2644A,N7026A,N2880A,N5380B,N2795A,N2783L,N7042A,E2616A,1131B,N5445A,N7002A,E2668B,MX0105A,U1880A,N2888A,N2876A,N2848A,N2824A,N2891A,N2782B,N5381B,E2697A,N2863B,N5450B,1168B,1132B,N7041A,10072A,N7001A,E2669B,MX0023A,N2819A,MX0104A,1169B,N2778A,N2887A,N2766A,N2875A,N2835A,N4822A,N2793A,E5396A,N7004A,N2890A,N2781B,54826-68701,N4863A,N2874A,N5451A,N2862B,10077A,1165A,N7020A,N7032A,54006A,N2818A,N6459-60001,N2822A,N2777A,N7003A,N4864A,N2792A,10070D,N2780B,E2675B,N6450-60001,N2885A,N2873A,N2752A,N2142A,MX0106A,1130B,N2829A,N2833A,N2821A,N2776A,N2805A,10085-68701,N2791A,E2676B,N2884A,N2872A,N2751A,MX0109A,N5477A,10075A,N7022A,N5425B,N5449A,N2828A,N2832A,N2820A,N2787A,N2804A,E2677B,N7005A,N2790A,N2786A,N2871A,N2750A,54904-61615,N2140A,10076C,N5442A,N7021A,N5426A,N7033A,E2613A,MX0100A,N2839A,N2843A,N2831A,N2827A,N2803A,N2879A

September 21, 2020  - KEYSIGHT  - 选型指南

【经验】如何对示波器电压探头和电流探头进行偏移校正?

如何对示波器电压探头和电流探头进行偏移校正?本文给出了详细解答,并推介了是德的功率测量偏移校正夹具 U1880A以及极限温度探测套件N7013A。

2023-06-16 -  设计经验

探讨差分探头和单端探头的性能和可用性的优缺点

为作出最好的决定,需要考虑差分探头与单端探头在性能和可用性方面的优缺点。本应用指南在如下几方面比较了差分探头和单端探头的性能和可用性的优缺点:带宽、保真度和可用性; 共模抑制; 输入负载;测量可重复性;物理尺寸。

2024-05-30 -  技术探讨

Infiniium示波器探头和附件数据表

型号- N2830A,N7008A,MXR,N7040A,P6241,N2830A-32A,P6243,P6245,E2614A,UXR,P6246,P6247,P6248,P6249,N5439A,N1022B,MX0103A,N4839A,N2878A,N27891A,3000A,6000,N7007A,P6701B,P6250,P6251,E2615A,N70003A,3000T,N1130B,MX0102A,MX0022,N2768A,MX0021,N2877A,MX0020,N2744A,MX0025,90000Z,MX0024,3000X,MX0023,90000X,N2852A,90000Q,N7042A,E2616A,6000X,MX0105A,90000A,90000 X,N2779A,N4829A,N287XA,N2888A,N2876A,90000A SERIES,11669B,N2750A SERIES,90008A SERIES,E2697A,N2780B SERIES,Z-SERIES,N2851A,N7009A,N5450B,V-SERIES,N7041A,9000 SERIES,1160A,N2819A,P6711,P5210A,P6713,MX0104A,90000-X SERIES,EXR SERIES,P6703B,N2778A,N2766A,N2887A,N2887B,N2875A,90000,E5396A,7000,MV-23,N4863A,N2874A,N5451A,N7020A,P6205,N2818A,N2789A,N2777A,0960-2907,N2780L SERIES,0960-2908,54904-61622,N4864A,E5385A,10070D,90000-X,N4840A,N2885A,N2873A,N2752A,N5440A,N5476A,MX0106A,N7040A SERIES,90000 SERIES,4000X,S-SERIES,N2829A,N2817A,N2776A,N2805A,54850 SERIES,N4853A,N296A,N4841A,N2884A,N2751A,N2872A,N5477A,MX0109A,N7010A,N70002A,N2828A,54850,N2787A,90000-Q,N2816A,N297A,N2804A,MX0020A,N2870A SERIES,N4842A,N4854A,8000,N2786A,N2750A,N2871A,N5442A,N70001A,86100D,E2613A,N2839A,9000A,1165A FAMILY,N2848,N2827A,N2803A,N2870A,E2678B,N4831A,N4843A,N2797A,N2785A,N5443A,1145A,N7000A,N7024A,10073D,6000 X,MX0022A,DP0002A,10467-68701,N134B,N2838A,N2826A,N2802A,N2881A,E2643A,N132B,E2655C,N2796A,N2784A,N2893A,1134B,1146B,1130B-34B,N5444A,N2893L,N7023A,E2679B,DCA-X,DP0001A,MX0021A,P5205,1147B,N2838-68701,1147A,N2801A,MXR SERIES,N2849A,N2837A,N4844A,N2825A,N2783B,E2644A,N7026A,N2880A,N5380B,N131B,N2795A,1155A,P5205A,N2783L,P5210,1131B,9000,N5445A,N7002A,E2668B,N287XA SERIES,MX0024A,N2812A,1160A FAMILY,N2800A,N2848A,N2836A,90008A,N4845A,N2824A,N2782B,N5381B,N2891A,4000,N2697A,1168B,MSO9000A,1132B,N2801A-03A,10072A,N7001A,E2669B,N7013A,MX0023A,1169B,N2823A,N4846A,N2835A,N4822A,TCP202,N5446A-006,N7004A,N5446A-005,N2781B,N7000A-03A,N5446A-004,N5446A-003,90000-Q SERIES,10077A,1165A,N5447A,N5446A-002,N5446A-001,Q-SERIES,90000X SERIES,N2780L,N2822A,90000Q SERIES,N2876A FAMILY,N7003A,N2780B,E2675B,1130B,N5448B,5959-9334,MX0025A,N2833A,N2821A,N4836A,E5346A,6000 X-SERIES,80000 SERIES,N2791A,E2676B,N7006A,5000,MX0100A- 002,MX0100A- 003,10075A,MX0100A- 001,1130B SERIES,N5425B,N1169B,N5449A,N1000A,N2832A,N4837A,N2820A,7000 SERIES,N2870A FAMILY,E2677B,N231B,N7005A,N2790A,10076B,10076C,N5426A,MX0100A,N1168B,MX0020-25A,N2831A,N4838A,N232B,EXR,UXR SERIES,N2879A

March 16, 2023  - KEYSIGHT  - 数据手册 查看更多版本
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