如今的高端测试装置的功能已经达到令人惊叹的水平。比如力科(LeCroy)公司最新推出的实时带宽高达60GHz的LabMaster10Zi系列示波器和安捷伦(Agilent)公司带宽高达32GHz的Infiniium90000X系列。这些仪器可以为测试台提供大量测量功能。它们可以展示上升和下降时间像闪电一样快的信号的每一个细节。
但是如果没有同样强大的探测系统的话，这些示波器的强大功能就无法体现了。测试工程师需要的最后一个工具就是探头，它会影响测试工程师的测量，否则就无法提供示波器提供给测试工程师的全部带宽。
幸运的是，如今的高端探头的设计规避了这些问题。不仅探头可以运行这些测试装置的功能，软件还可以增加功能和其他配件。
不断增加的探测带宽
这里以安捷伦公司的Infiniium90000X系列示波器为例，InfiniiMaxIII(N2800A-N2803A)是该公司第三代InfiniiMax高性能探测系统(图1)。安捷伦公司提供四个带宽在16至30GHz之间的探头放大器型号。各种探头支持使用浏览器、零插力(ZIF)探头前端、2.92mm或3.5mm表面组装(SMA)电缆或焊入式探头前端进行的连接。
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安捷伦InfiniiMaxIII探头放大器包含ZIF探头和探头前端。该探测系统可提供带宽在16至30GHz之间的放大器
是什么在推动探头放大器带宽的不断增加呢？从事新兴有线通信标准和高速串行数据链路(比如USB、SAS或PCIExpress)相关工作的工程师使用Infiniium90000X系列等示波器捕获快速的单次事件，进行抖动等关键测量，同时确保符合行业标准，以保证互操作性。随着数据速率在接下来的几年里扩展到10Gbps以上，探头带宽将成为进行此类高带宽测量的关键因素。
安捷伦公司采用专有的磷化铟(InP)工艺和最先进的薄膜封装技术，在严格的几何限制下实现这些探头的性能。InfiniiMaxIII浏览器采用“十字形”刀片接地系统以实现较低电感的接地，采用多晶形铁粉绕线同轴探头前端减少驻波，并采用极低寄生电感的可更换电阻探头前端实现30GHz的性能。
高压要求
电动汽车和混合动力汽车、工业应用、照明、太阳能和计算机服务器等各种应用中的功率测量要求正变得越来越具有挑战性。这些新兴电源技术要求探头能够同时满足高压和低压的测量要求。使用给定示波器供电的探头一般不适用于同等的高压器件。
为此，泰克(Tektronix)公司最近推出了四款高压探头，并对三款现有的探头产品进行了大幅升级，以在带宽、动态范围和输入阻抗特性方面满足市场要求。泰克的THDP、TMDP和P52XXA系列高压探头可以满足这三个主要领域的要求(图2)。
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图2：泰克公司的THDP、TMDP和P52XXA高压探头可满足市场上有关带宽、动态范围和输入阻抗特性方面的功率测量要求
一方面，如今的电源设计正在采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)等更快的开关器件。THDP0200和TMDP0200等更高带宽的探头可以捕获到转换速率很快的信号，从而使设计工程师能够轻松地精确测量这些新型设计。
另一方面，这些探头可以解决传统探头在动态范围方面的不足，使设计工程师能够使用同样的探头测量高压信号及其引起的噪声和纹波分量。THDP0100具有该系列最大的动态范围以及±6000V的差分电压和共模规格。
最后，当探头连接至电路时，它们可能会潜在地改变电路的行为和屏蔽问题。泰克的高压探头通过提供高压探头能够提供的最高电阻性和最低电容性负载，从而最大限度地缓解了这个问题。例如，升级后的P5210A和新型THDP0100都可以提供40MΩ的电阻和不到2.5pF的电容性负载。
TMDP和THDP通过大多数泰克中档示波器采用的泰克多功能探头接口(VPI)架构连接至泰克示波器。VPI架构可实现示波器与探头之间的双向智能通信。为了最大限度地提高高压应用中用户的安全性，这些探头均符合EN61010-031要求。
有源探头的特性
工程师应通过各种无源和有源探头，从而充分利用示波器。确定哪一种探头最适合用于给定的应用并不容易。不过安捷伦在其N2795A/N2796A系列中提供了新一代1至2GHz单端有源探头(图3)。
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图3：安捷伦的N2795A/96A有源探头可以为超低负载的待测器件提供极低的输入电容
N2795A/96A采用AutoProbe接口(与安捷伦的InfiniVision和Infiniium示波器兼容)供电。这些探头整合了通用高速探测(特别是数字系统设计、元器件设计/特性分析和教育研究应用)所需的诸多特性。
这些探头的一个重要特性是其1MΩ的输入电阻和1pF的极低输入电容，可支持待测器件(DUT)的超低负载。再加上极高的信号保真度，使得这些探头适合用于如今的大多数数字逻辑电压。这些探头还具有宽动态范围(±8V)和偏移范围(N2796A为±12V，N2796A为±8V)。
根据环境进行改变
示波器厂商一般倾向于用户用自己的探头与他们的示波器配合使用，但是这并不总是能够实现，甚至是不可取的。为此，测试装置供应商一般提供适配器，这样你就可以将一个探头与另一个示波器配合使用。
安捷伦的N2744AT2A泰克与安捷伦探头适配器就是一个例子(图4)。工程师可以使用该适配器将泰克TekProbe-BNCLevel2探头连接至安捷伦的Infiniium和InfiniiVision示波器。该适配器可以为泰克探头提供必需的探头功率、校准和偏移控制。已有泰克有源探头的工程师不必购买新探头就可以使用安捷伦的示波器。
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图4：使用安捷伦的N2744AT2A泰克与安捷伦探头适配器可将泰克探头连接至安捷伦示波器
某些情况往往要求在难以到达的位置进行测量。在这种情况下，可使用安捷伦的N2887A36通道探头和N2888A18通道半通道InfiniiMax软接触探头(图5)。这些探头可将安捷伦软接触无连接器探头连接至安捷伦InfiniiMaxI和II系列探头放大器的输入连接器。
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图5：N2887A软接触探头是一款36通道器件，该探头可将安捷伦的无连接器探头连接至探头放大器的输入端。
这些探头使工程师可以探测带宽高达4GHz的高保真度信号，还支持工程师进行一般在双数据速率(DDR)存储器测试和空间紧凑的其它高速应用中需要的多通道测量。
工程师的工具箱中还应该有电流探头。安捷伦N2893A是一款用于InfiniiVision和Infiniium示波器的带AutoProbe接口的100MHz、15Aac-dc电流探头。该探头具有自动消磁和自动校准功能，可消除探头中的剩磁和有害直流偏置，以便工程师进行更加精确的低级直流电流测量。N2893A电流探头还以精确捕获静态或稳态电流见长，这是测试和调试功率电子器件必不可少的功能。
功率的检测
这里继续探讨功率测量，安立(Anritsu)公司的MA24105A高精度微型独立内联式高功率传感器具有从350MHz至4GHz范围的各种功率测量功能(图6)。MA24105A的动态范围为2mW至150W，整合了正向和逆向测量功能，制造工程师和现场工程师都可以在各种商业蜂窝、陆地移动无线电和通用军事/防卫射频应用中使用该传感器。
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图6：安立公司的MA24105A高精度微型独立内联式高功率传感器具有从350MHz至4GHz范围的各种功率测量功能
MA24105A传感器与安立的S3xxE系列SiteMaster电缆和天线分析仪、MS271xE和MS272xBSpectrumMaster手持式频谱分析仪、MT8212ECellMaster、MT822xBBTSMaster以及MS202xA/B和MS203xAVNAMaster兼容。该传感器还可与MS271xB经济型台式频谱分析仪配合使用。
使用MA24105A可进行高精度平均功率测量。MA24105A具有宽动态范围，因此无需较低功率的传感器，从而缩短了设置和测试时间。由于校准数据直接存储在传感器中，并且所有必需的校正都是在传感器的微处理器内进行的，因此可保证较高的精度。此外还对回波损耗和指向性进行了优化，以保持高精度。
MA24105A的“双通道”架构可在整个频率范围内实现真正的RMS测量。这种架构再配上动态范围，使得用户能够测量连续波(CW)、多重载波以及GSM/EDGE、CDMA/EV-DO、W-CDMA/HSPA+、WiMAX和TD-SCDMA等数字调制信号。
正向通道包含一个带峰值和比较器/积分器电路的4MHz带宽通道，这些电路可以增加峰值包络功率、峰值因数、互补累积分布函数(CCDF)和突发平均功率等测量功能。逆向通道上的另一个检测电路增加了逆向功率测量功能，包括逆向功率、反射系数、回波损耗和驻波比(SWR)。微控制器以及传感器中的信号调理电路、模数转换器(ADC)和电源将MA24105A整合成一个完整的微型功率表。
多功能MA24105A可用于种类繁多的各种应用中。其优异的匹配和低插入损耗使得这款传感器非常适合用于发射器系统和天线的连续功率监控。此外，350MHz的底端频率使得该传感器成为测量P25和TETRA网络的不二之选。
软件
仪器厂商一直致力于开发特定于应用的软件包的工作，以改善给定仪器专门用于特定细分市场的局面。力科公司最近发布的针对汽车市场的三个这样的软件包就是其中一个例子。
博通(Broadcom)公司以及MOST公司的合作伙伴等汽车和芯片厂商现已成为力科公司的两个QualiPHY(QPHY)自动化一致性测试软件包的推动力。开发人员可以利用这些软件包为娱乐和信息娱乐应用实现更低的成本、更低的功率、更高的通用性和鲁棒的系统。此外，力科公司的汽车总线分析仪(VBA)测试解决方案通过扩展后已可在WaveRunner6Zi、WavePro7Zi和WaveMaster8Zi示波器平台上工作。
QPHY软件包可提供自动化测试脚本，该测试脚本可实现MOST50ePHY和150oPHY信号的快速可靠测试。MOST(媒体定向系统传输)是一个在汽车市场中广泛使用的多媒体和信息娱乐网络标准。随着客户对连接至视频显示屏和汽车娱乐系统的设备的需求的快速增长，这些标准应运而生。
过去五年来，这种需求一直在极大地增长，这给汽车设计工程师带来了更多的测试挑战，他们需要确保同一网络中的所有器件(视频显示屏；GPS导航；音频、DVD、CD和卫星无线电；蓝牙连接以及麦克风系统)具有很好的互操作性，不会产生任何干扰。
博通最近发布的BroadR-Reach技术针对通过无屏蔽单双绞线布线的100Mbps以太网连接。BroadR-Reach技术已针对多种汽车应用进行优化，该技术支持外部设备的各种连接方案。力科公司用于BroadR-Reach技术的物理层(PHY)测试方案包括自动化QualiPHY一致性测试软件包QPHY-BroadR-Reach以及所需的测试夹具和电缆。
此外，无处不在的CAN、LIN和FlexRay汽车系统协议已经充当了现有的每一辆汽车中的关键角色。力科公司的VBA测试包在一个方案中整合了CAN、LIN和FlexRay触发器、解码和分析方案，并增加了用于FlexRay的PHY测试。
VBA解决方案具有通过汽车.dbc数据库文件将CAN协议信号解码成符号(应用层)文本的独特功能，使得用户能够查看所有的CAN协议栈信息，并且能够查看影响CAN总线的额外电路内电子信号。
VBA方案可从串行协议信息流中提取数据并在示波器显示屏上绘制出该数据的图表，这个额外的功能使其成为所有汽车设计工程师的必备方案。这个全面的功能组现已在WaveRunner6Zi、WavePro7Zi和WaveMaster8Zi示波器平台上提供。
自动探头校准
尽管电缆和探头的损耗是固有的，但是仪器厂商一直在不遗余力地将其探测系统中的通道损耗降到最小。根据不同的配置，损耗可能相当大。有些时候损耗足以引起测量变化，从而导致获得不一致的测量结果。此外，不同探头的频率响应和相位特性也不尽相同，因此必须对每个探头和电缆进行特性分析和考量，以确保最真实地再现信号。
为确保用户充分利用他们的示波器和探头，安捷伦公司为其Infiniium90000X-Series和90000A系列示波器提供了PrecisionProbe软件。该软件可与Infiniium示波器中的内置硬件配合工作，这使得工程师能够在不使用任何外部装置的情况下自动对示波器输入的任何通道的响应进行特性分析和校正。PrecisionProbe软件提供的分析可以提高测量裕量，这样工程师即可实现最精确的测量。
安捷伦的N2809APrecisionProbe软件不仅可以快速校正电缆和通道插入损耗，还可以校正相位线性和幅度平坦度等探测问题。该软件可匹配电路上的每一个电缆或探头的频率响应和相位。它还可以在不增加其他装置的情况下对开关等通道的损耗进行特性分析和补偿。
安捷伦公司称，PrecisionProbe是实时示波器的第一个软件，该软件可以为探头提供全面的交流校准(而不仅仅是直流校准和偏斜校正)。此外，该软件还与外部产生的s参数特性分析文件无关。
这些文件一般是从时域反射器或矢量网络分析仪等其他仪器中生成的，设置起来可能比较耗时，并且需要专业知识才能产生精确一致的结果。而PrecisionProbe则采用示波器上的内置信号源自动生成文件。软件设置向导会快速引导工程师完成使用PrecisionProbe的探头、电缆和开关等通道单元的整个设置和特性分析过程。