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工程师38坊如何开户?

正确观测高速脉冲

试图验证“探头校准是示波器操作的基础”的说法

波形和测试表的数值不同

我主要负责车载用设备的瞬态浪涌测试仪等产品。曾经收到过客户的咨询内容如下:“这次我们采购了菊水的产品,贵公司说波形观测需要使用1/100的探头,所以我们也一起买了。但实际进行波形观测后发现,和测试表的数值不同。这是怎么回事呢?”。了解详细情况后发现,示波器的设置,外围环境※1的准备都不存在问题,而且1/100的探头也没有动过,还是刚购买时的样子。

一般来说,探头需要连接使用的示波器,进行整体校准(调整)。这是确认“探头是否损坏?是否能正确观测?”所必须要做的工作※2。话虽如此,如果所观测的波形是ms以上(有时可能是μs以上)的动作,或者只是单纯地确认high/Low的水平,绝大部分情况下使用未做调整的探头也是没有问题的。

但是,当使用无源探头观测“ns”〜“μs”的上升沿,或是宽度高速变化的波形时,则必“正确”调整探头。

※1 有些机型的示波器需要使用隔离变压器进行保护。
※2 关于探头校准的见解,请向各生产厂商咨询。

图1 高速脉冲例

出现问题的原因几乎都是没有调整好

测量上升时间和脉冲宽度为纳秒级的高速脉冲时,需要准备频带宽度大,采样数多的示波器。如果观测对象设备的输出阻抗是50Ω级的同轴结构,则通过使用同轴型的衰减器和同轴电缆,可以将示波器和脉冲发生器直接连接起来※3。使用这种观测方法,可在低损耗,低延时的状态下观测对象波形。

一般来说,被称为浪涌发生器的设备规格由国际标准,地区标准,厂家标准等决定,几乎所有的浪涌发生器都不是同轴结构的50Ω级输出。因为端子形状不是同轴结构的50Ω级,所以波形观测需要使用差分探头和无源探头。在使用差分探头和无源探头的观测方法中,可能无法观测到与测试仪的校准数据(测试表的数据)相同的数值。“与观测结果不同”的咨询内容几乎都是包含这种“ns”〜“μs”的上升沿和脉冲宽度的波形,由于没有调整好,导致观测结果出现差异※4

使用差分探头进行波形观测时的咨询案例主要包括:

  • 示波器和探头都是菊水的推荐产品,但无法观测到正确的波形

  • 探头是请菊水校准过的,但观测结果不一致。

  • 改成了相同频带宽度的示波器,但观测结果完全不同。

等等。

※3 示波器需要使用50Ω进行终端连接。
※4 仅限咨询菊水公司生产的测试仪。

对这种显而易见的结论感到很过意不去

针对上述咨询的回答内容如下。

Q:示波器和探头都是菊水的推荐产品,但无法观测到正确的波形。

─A:需要将示波器和探头组合起来进行校准。

Q:探头是请菊水校准过的,但观测结果不一致。

─A:如果只校准探头,观测结果会因示波器的不同而异。(如果不和示波器组合起来调整,观测结果会不一致,这个情况已经事先告知了。)

Q:改成了相同频带宽度的示波器,但观测结果完全不同。

─A:即使频带宽度和采样数相同,如果输入容量不同,观测结果也会不一致(即使使用相同型号的示波器进行观测,由于输入容量存在个体差异,也不会得到相同的结果)。

示波器的使用方法是电气检测的基础,几乎所有人在初学阶段都接受了相关指导。对于专家级工程师来说,这是使用营销工具的基础,属于一般性的“常识”,而对于缺乏经验的新手,或只是偶尔使用示波器的人来说,探头的调整和校准这种最为关键的工作往往会意外地忘掉(或者容易理解错误)。
因此,为了确保观测波形的正确性,将示波器和探头组合起来进行校准是非常重要的。就是这么一个显而易见的故事。

如果写到这里就结束会有些无聊,所以我再向大家讲一个比较测试的情况,详见下页。庆幸的是,本公司有很多高压脉冲发生器以及各种型号的示波器。将这些设备作为验证材料,看一下究竟会有多大差异。这个验证测试的结果基本上可以想象出来,但是我想应该很少有人会去做这样的事情,所以这种测试还是比较少见的(笑)。如果能成为大家谈论的话题,我将不胜荣幸。

首先校准探头

刚才已经说过,使用示波器和探头进行数据观测时,需要校准探头,而校准探头使用的是示波器CAL端子的矩形波脉冲波形※5。该示波器的CAL端子只能输出几伏(最高约5V)电压。由于瞬态浪涌波形会输出几十伏至几百伏脉冲,因此观测所需的无源探头的衰减率为1/100或1/1000。这种衰减率的探头即使连接到示波器的CAL端子上,也几乎没有振幅。校准1/100和1/1000探头时,需要使用高压矩形波脉冲发生器。但高压(矩形波)脉冲发生器价格非常昂贵且难以获得,因此在本次测试中,我们使用更加直接的ISO7637-2标准测试仪的3b波形来校准1/100差分探头(无源探头)※6

※5 “CAL端子”的名称因示波器厂商不同而异。
※6 校准方法的详情和注意事项在此省略。

图2 ISO7637-2标准测试仪(KES7700系统)

本公司的ISO7637-2标准检测仪“KES7700系统”的3b输出采用50Ω级的同轴结构。该结构可使用衰减器等直接连接示波器,在低损耗,低延时的状态下观测输出波形。此外,使用无源探头检测时,通过使用将探头前端变更为BNC型转换适配器,可减轻对探头检测有很大影响的“接地线走线”的影响。输出为300V(50Ω终端连接时为150V),可以获得足够振幅,适合用于比较本次测试所需的检测仪之间的差异※7

※7 ISO7637-2的3b波形只用于校准峰值部分。DC水平的调整使用函数信号发生器等。

图3 ISO7637-2 3b波形(50Ω终端连接时)

使用各种示波器观测ISO7637-2的3b波形的结果

在本次测试中使用的示波器规格如表1所示。顺便说一下,在ISO7637-2标准中要求示波器的频带宽度应达到400MHz以上,全部示波器均满足该要求规格。

表1 试验使用的示波器

名称

1型

2-1型

2-2型

3型

4型

5型

频带宽度

2.5GHz

500MHz

500MHz

500MHz

2GHz

1.5GHz

采样

40GS/s

5GS/s

5GS/s

2.5GS/s

10GS/s

5GS/s

本次校准将ISO7637-2的3b波形设置为约300V,通过微调,使1型示波器和衰减器(40dB)检测的结果达到1.5V,并将其作为基准波形。(所有数据的3b输出固定。)

使用衰减器和同轴电缆,用50Ω级观测的结果如表2所示。以未使用衰减器观测的50Ω级输出波形为基准,使用1型校准无源探头,通过该无源探头和各示波器观测的结果如表3所示。

表2 试验结果(使用50Ω级观测的结果)

名称

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

与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。

连接图

表3 试验结果(使用通过1型校正的探头,用其他示波器观测的结果)

名称

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

与1型的差

-2.49%

-0.50%

-22.66%

-11.05%

-8.73%

与50Ω级的差

0.51%

-1.34%

-1.32%

-22.16%

-10.54%

-6.96%

※即便按照150V进行调整,也不一定用150V观测。
※最大值是校正后的1型,差分0.76V是测量误差。另外,最小值是3型的116.6V。

连接图

从表2的结果可知,使用50Ω级观测时,最高为1.52V,最低为1.479V,相对于1.5V的观测值,得到的结果约±1.5%。如果在此检测范围内,则为测量误差。

但是,使用表3的无源探头进行观测时,观测结果可以看到很大差异。最大差异高达了20%以上,所以得出“和测试表的数值不一致”的结论。

图1是3型的观测结果波形(示意图)。峰值高的是使用50Ω级的观测结果,峰值低的是使用无源探头的观测结果。两者存在20%以上的差异。

图4 ISO7637-2 3b波型观测(示波器3型)

观测结果不一致的原因是?

在本次比较的示波器中,频带宽度最小,采样数最少的3型的观测结果最低。这种规格的差异会对观测结果造成影响吗?

如上所述,频带宽度大,采样数多的示波器适合高速脉冲观测,而和规格方面相差不大的1型相比,使用4型和5型无源探头进行观测的结果大概低10%左右。(和使用50Ω级观测的检测结果相比,探头的检测结果同样也低。)

那么,对波形观测的峰值检测造成影响的因素到底是什么呢?

表4是在表1的基础上增加了示波器输入容量的参数。通过该表可知,输入容量大的示波器具有观测结果更低的倾向。

表4 示波器的输入容量与输出波形的差异

名称

1型

2-1型

2-2型

3型

4型

5型

频带宽度

2.5GHz

500MHz

500MHz

500MHz

2GHz

1.5GHz

采样

40GS/s

5GS/s

5GS/s

2.5GS/s

10GS/s

5GS/s

输入容量

10〜15pF

10〜15pF

10〜15pF

20pF左右

15pF左右

15pF左右

与1型的差

-2.49%

-0.50%

-22.66%

-11.05%

-8.73%

与50Ω级的差

0.51%

-1.34%

-1.32%

-22.16%

-10.54%

-6.96%

采用发生器和探头的常数固定,使示波器的输入容量变化的简易电路结构时的电路模拟器波形如图5所示。

图5 电路模拟器的结果

通过该图可知,示波器的输入容量稍有改变,峰值电压就会不同。

结语

针对可能招致的误解,认为“是否输入容量大的示波器不适合检测高速脉冲呢?”,我先强调一下结论:这种情况不存在。

只要将示波器和无源探头组合起来校准,波形观测完全没有问题。

表5 示波器与探头组合起来进行校正的结果(3〜5型)

名称

3型

4型

5型

波高值

使用50Ω级观测

1.502V

1.487V

1.48V

使用无源探头观测

149.75V

149V

148.4V

与50Ω级的差

-0.30%

0.20%

-0.27%

在本次测试中,本公司拥有的示波器输入容量略小,是将该示波器作为基准使用的。如果将输入容量大的示波器作为基准,则使用输入容量小的示波器观测波形时,观测到的峰值就会变大,在此情况下,便会出现相反的疑问:“容量小的示波器是否不能使用啊?”

综上所述,我希望大家能够理解,并不是使用校准过的探头就一定能够进行正确地检测。

TEXT BY
后藤 义则
38坊如何开户?开发部 38坊如何开户?开发课 课长代理

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静电放电模拟器/雷击浪涌测试仪
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