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正確觀測高速脈沖

試圖驗證“探頭校準是示波器操作的基礎”的說法

波形和測試表的數值不同

我主要負責車載用設備的瞬態浪涌測試儀等產品。曾經收到過客戶的咨詢內容如下:“這次我們采購了菊水的產品,貴公司說波形觀測需要使用1/100的探頭,所以我們也一起買了。但實際進行波形觀測后發現,和測試表的數值不同。這是怎么回事呢?”。了解詳細情況后發現,示波器的設置,外圍環境※1的準備都不存在問題,而且1/100的探頭也沒有動過,還是剛購買時的樣子。

一般來說,探頭需要連接使用的示波器,進行整體校準(調整)。這是確認“探頭是否損壞?是否能正確觀測?”所必須要做的工作※2。話雖如此,如果所觀測的波形是ms以上(有時可能是μs以上)的動作,或者只是單純地確認high/Low的水平,絕大部分情況下使用未做調整的探頭也是沒有問題的。

但是,當使用無源探頭觀測“ns”?“μs”的上升沿,或是寬度高速變化的波形時,則必“正確”調整探頭。

※1 有些機型的示波器需要使用隔離變壓器進行保護。
※2 關于探頭校準的見解,請向各生產廠商咨詢。

圖1 高速脈沖例

出現問題的原因幾乎都是沒有調整好

測量上升時間和脈沖寬度為納秒級的高速脈沖時,需要準備頻帶寬度大,采樣數多的示波器。如果觀測對象設備的輸出阻抗是50Ω級的同軸結構,則通過使用同軸型的衰減器和同軸電纜,可以將示波器和脈沖發生器直接連接起來※3。使用這種觀測方法,可在低損耗,低延時的狀態下觀測對象波形。

一般來說,被稱為浪涌發生器的設備規格由國際標準,地區標準,廠家標準等決定,幾乎所有的浪涌發生器都不是同軸結構的50Ω級輸出。因為端子形狀不是同軸結構的50Ω級,所以波形觀測需要使用差分探頭和無源探頭。在使用差分探頭和無源探頭的觀測方法中,可能無法觀測到與測試儀的校準數據(測試表的數據)相同的數值?!芭c觀測結果不同”的咨詢內容幾乎都是包含這種“ns”?“μs”的上升沿和脈沖寬度的波形,由于沒有調整好,導致觀測結果出現差異※4。

使用差分探頭進行波形觀測時的咨詢案例主要包括:

  • 示波器和探頭都是菊水的推薦產品,但無法觀測到正確的波形

  • 探頭是請菊水校準過的,但觀測結果不一致。

  • 改成了相同頻帶寬度的示波器,但觀測結果完全不同。

等等。

※3 示波器需要使用50Ω進行終端連接。
※4 僅限咨詢菊水公司生產的測試儀。

對這種顯而易見的結論感到很過意不去

針對上述咨詢的回答內容如下。

Q:示波器和探頭都是菊水的推薦產品,但無法觀測到正確的波形。

─A:需要將示波器和探頭組合起來進行校準。

Q:探頭是請菊水校準過的,但觀測結果不一致。

─A:如果只校準探頭,觀測結果會因示波器的不同而異。(如果不和示波器組合起來調整,觀測結果會不一致,這個情況已經事先告知了。)

Q:改成了相同頻帶寬度的示波器,但觀測結果完全不同。

─A:即使頻帶寬度和采樣數相同,如果輸入容量不同,觀測結果也會不一致(即使使用相同型號的示波器進行觀測,由于輸入容量存在個體差異,也不會得到相同的結果)。

示波器的使用方法是電氣檢測的基礎,幾乎所有人在初學階段都接受了相關指導。對于專家級工程師來說,這是使用營銷工具的基礎,屬于一般性的“常識”,而對于缺乏經驗的新手,或只是偶爾使用示波器的人來說,探頭的調整和校準這種最為關鍵的工作往往會意外地忘掉(或者容易理解錯誤)。
因此,為了確保觀測波形的正確性,將示波器和探頭組合起來進行校準是非常重要的。就是這么一個顯而易見的故事。

如果寫到這里就結束會有些無聊,所以我再向大家講一個比較測試的情況,詳見下頁。慶幸的是,本公司有很多高壓脈沖發生器以及各種型號的示波器。將這些設備作為驗證材料,看一下究竟會有多大差異。這個驗證測試的結果基本上可以想象出來,但是我想應該很少有人會去做這樣的事情,所以這種測試還是比較少見的(笑)。如果能成為大家談論的話題,我將不勝榮幸。

首先校準探頭

剛才已經說過,使用示波器和探頭進行數據觀測時,需要校準探頭,而校準探頭使用的是示波器CAL端子的矩形波脈沖波形※5。該示波器的CAL端子只能輸出幾伏(最高約5V)電壓。由于瞬態浪涌波形會輸出幾十伏至幾百伏脈沖,因此觀測所需的無源探頭的衰減率為1/100或1/1000。這種衰減率的探頭即使連接到示波器的CAL端子上,也幾乎沒有振幅。校準1/100和1/1000探頭時,需要使用高壓矩形波脈沖發生器。但高壓(矩形波)脈沖發生器價格非常昂貴且難以獲得,因此在本次測試中,我們使用更加直接的ISO7637-2標準測試儀的3b波形來校準1/100差分探頭(無源探頭)※6。

※5 “CAL端子”的名稱因示波器廠商不同而異。
※6 校準方法的詳情和注意事項在此省略。

圖2 ISO7637-2標準測試儀(KES7700系統)

本公司的ISO7637-2標準檢測儀“KES7700系統”的3b輸出采用50Ω級的同軸結構。該結構可使用衰減器等直接連接示波器,在低損耗,低延時的狀態下觀測輸出波形。此外,使用無源探頭檢測時,通過使用將探頭前端變更為BNC型轉換適配器,可減輕對探頭檢測有很大影響的“接地線走線”的影響。輸出為300V(50Ω終端連接時為150V),可以獲得足夠振幅,適合用于比較本次測試所需的檢測儀之間的差異※7。

※7 ISO7637-2的3b波形只用于校準峰值部分。DC水平的調整使用函數信號發生器等。

圖3 ISO7637-2 3b波形(50Ω終端連接時)

使用各種示波器觀測ISO7637-2的3b波形的結果

在本次測試中使用的示波器規格如表1所示。順便說一下,在ISO7637-2標準中要求示波器的頻帶寬度應達到400MHz以上,全部示波器均滿足該要求規格。

表1 試驗使用的示波器

名稱

1型

2-1型

2-2型

3型

4型

5型

頻帶寬度

2.5GHz

500MHz

500MHz

500MHz

2GHz

1.5GHz

采樣

40GS/s

5GS/s

5GS/s

2.5GS/s

10GS/s

5GS/s

本次校準將ISO7637-2的3b波形設置為約300V,通過微調,使1型示波器和衰減器(40dB)檢測的結果達到1.5V,并將其作為基準波形。(所有數據的3b輸出固定。)

使用衰減器和同軸電纜,用50Ω級觀測的結果如表2所示。以未使用衰減器觀測的50Ω級輸出波形為基準,使用1型校準無源探頭,通過該無源探頭和各示波器觀測的結果如表3所示。

表2 試驗結果(使用50Ω級觀測的結果)

名稱

1型

2-1型

2-2型

3型

4型

5型

波高值

1.50V

1.49V

1.52V

1.498V

1.499V

1.479V

與1型的差

-0.67%

1.33%

-0.13%

-0.07%

-1.40%

※最大值是2-2型,最小值是5型。

連接圖

表3 試驗結果(使用通過1型校正的探頭,用其他示波器觀測的結果)

名稱

1型

2-1型

2-2型

3型

4型

5型

波高值

150.76V

147V

150V

116.6V

134.1V

137.6V

與1型的差

-2.49%

-0.50%

-22.66%

-11.05%

-8.73%

與50Ω級的差

0.51%

-1.34%

-1.32%

-22.16%

-10.54%

-6.96%

※即便按照150V進行調整,也不一定用150V觀測。
※最大值是校正后的1型,差分0.76V是測量誤差。另外,最小值是3型的116.6V。

連接圖

從表2的結果可知,使用50Ω級觀測時,最高為1.52V,最低為1.479V,相對于1.5V的觀測值,得到的結果約±1.5%。如果在此檢測范圍內,則為測量誤差。

但是,使用表3的無源探頭進行觀測時,觀測結果可以看到很大差異。最大差異高達了20%以上,所以得出“和測試表的數值不一致”的結論。

圖1是3型的觀測結果波形(示意圖)。峰值高的是使用50Ω級的觀測結果,峰值低的是使用無源探頭的觀測結果。兩者存在20%以上的差異。

圖4 ISO7637-2 3b波型觀測(示波器3型)

觀測結果不一致的原因是?

在本次比較的示波器中,頻帶寬度最小,采樣數最少的3型的觀測結果最低。這種規格的差異會對觀測結果造成影響嗎?

如上所述,頻帶寬度大,采樣數多的示波器適合高速脈沖觀測,而和規格方面相差不大的1型相比,使用4型和5型無源探頭進行觀測的結果大概低10%左右。(和使用50Ω級觀測的檢測結果相比,探頭的檢測結果同樣也低。)

那么,對波形觀測的峰值檢測造成影響的因素到底是什么呢?

表4是在表1的基礎上增加了示波器輸入容量的參數。通過該表可知,輸入容量大的示波器具有觀測結果更低的傾向。

表4 示波器的輸入容量與輸出波形的差異

名稱

1型

2-1型

2-2型

3型

4型

5型

頻帶寬度

2.5GHz

500MHz

500MHz

500MHz

2GHz

1.5GHz

采樣

40GS/s

5GS/s

5GS/s

2.5GS/s

10GS/s

5GS/s

輸入容量

10?15pF

10?15pF

10?15pF

20pF左右

15pF左右

15pF左右

與1型的差

-2.49%

-0.50%

-22.66%

-11.05%

-8.73%

與50Ω級的差

0.51%

-1.34%

-1.32%

-22.16%

-10.54%

-6.96%

采用發生器和探頭的常數固定,使示波器的輸入容量變化的簡易電路結構時的電路模擬器波形如圖5所示。

圖5 電路模擬器的結果

通過該圖可知,示波器的輸入容量稍有改變,峰值電壓就會不同。

結語

針對可能招致的誤解,認為“是否輸入容量大的示波器不適合檢測高速脈沖呢?”,我先強調一下結論:這種情況不存在。

只要將示波器和無源探頭組合起來校準,波形觀測完全沒有問題。

表5 示波器與探頭組合起來進行校正的結果(3?5型)

名稱

3型

4型

5型

波高值

使用50Ω級觀測

1.502V

1.487V

1.48V

使用無源探頭觀測

149.75V

149V

148.4V

與50Ω級的差

-0.30%

0.20%

-0.27%

在本次測試中,本公司擁有的示波器輸入容量略小,是將該示波器作為基準使用的。如果將輸入容量大的示波器作為基準,則使用輸入容量小的示波器觀測波形時,觀測到的峰值就會變大,在此情況下,便會出現相反的疑問:“容量小的示波器是否不能使用???”

綜上所述,我希望大家能夠理解,并不是使用校準過的探頭就一定能夠進行正確地檢測。

TEXT BY
后藤 義則
解決方案開發部 解決方案開發課 課長代理

[主要產品開發業績]
靜電放電模擬器/雷擊浪涌測試儀
DIP模擬器/高壓紋波疊加測試儀
各種瞬態浪涌測試儀/定制EMC測試系統

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