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示波器探头分类及选择方法

关键词:示波器 探头 电子电路

时间:2020-05-21 16:32:22       来源:网络

  因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围,使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路,如图 1 所示。

图 1 示波器探头的作用

  探头的选择和使用需要考虑两方面:

  1. 因为探头有负载效应,探头会直接影响被测信号和被测电路。

  2. 探头是整个示波器测量系统的一部分,会直接影响仪器的信号保真度和测试结果。

  探头的负载效应

  当探头探测到被测电路后,探头成为了被测电路的一部分。

  探头的负载效应可分为三类:

  阻性负载效应。容性负载效应。感性负载效应。

图 2 探头的负载效应

  1 阻性负载

  阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻,对被测信号有分压的作用,影响被测信号的幅度和直流偏置。有时,加上探头时,有故障的电路可能变得正常了。一般推荐探头的电阻 R>10 倍被测源电阻,以维持小于 10%的幅度误差。

图 3 探头的阻性负载

  2 容性负载

  容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容,对被测信号有滤波的作用,影响被测信号的上升下降时间,影响传输延迟,影响传输互连通道的带宽。有时,加上探头时,有故障的电路变得正常了,这个电容效应起到了关键的作用。一般推荐使用电容负载尽量小的探头,以减小对被测信号边沿的影响。

  3 感性负载

  感性负载来源于探头地线的电感效应,这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振,从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃,需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃,检查确认的方法是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的地线。

  探头的分类

  示波器探头大的方面可以分为:无源探头和有源探头两大类。

  无源探头

  无源探头细分:低阻电阻分压探头、带补偿的高阻无源探头(最常用的无源探头)、高压探头。

  低阻电阻分压探头:

  低阻电阻分压探头具备较低的电容负载(<1pf),较高的带宽(>1.5GHz),较低的价格,但是电阻负载非常大,一般只有 500ohm 或 1Kohm,所以只适合测试低源阻抗的电路,或只关注时间参数测试的电路。

  带补偿的高阻无源探头:

  带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头,一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻(一般 1Mohm 以上),可调的补偿电容,以匹配示波器的输入,具备较高的动态范围,可以测试较大幅度的信号(几十幅以上),价格也较低。但是不知之处是输入电容过大(一般 10pf 以上),带宽较低(一般 500MHz 以内)。

  带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容,当接上示波器时,一般需要调整电容值(需要使用探头自带的小螺丝刀来调整,调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置),以与示波器输入电容匹配,以消除低频或高频增益。图 8 的左边是存在高频或低频增益,调整后的补偿信号显示波形如图 8 的右边所示。

  高压探头:

  高压探头是带补偿的无源探头的基础上,增大输入电阻,使得衰减加大(如,100:1 或 1000:1 等)。因为需要使用耐高压的元器件,所以高压探头一般物理尺寸较大。

  有源探头

  单端有源探头、差分探头、电流探头。

  先来观察一下用 600MHz 无源探头和 1.5GHz 有源探头,测试 1ns 上升时间阶跃信号的影响。使用脉冲发生器产生一个 1ns 的阶跃信号,通过测试夹具后,使用 SMA 电缆直接连接到一个 1.5GHz 带宽的示波器上,这样示波器上会显示一个波形(图 10 中的蓝色信号),把这个波形存为参考波形。

  然后使用探头点测测试夹具去探测被测信号,通过 SMA 直连的波形因为受探头负载的影响而变成黄色的波形,探头通道显示的是绿色的波形。然后分别测试上升时间,可以看出无源探头和有源探头对高速信号的影响。

  1. 使用 1165A 600MHz 无源探头,使用鳄鱼嘴接地线。受探头负载的影响,上升时间变为:1.9ns;探头通道显示的波形存在振铃,上升时间为:1.85ns。

  2. 使用 1156A 1.5GHz 有源探头,使用 5cm 接地线。受探头负载的影响较小,上升时间仍为:1ns;探头通道显示的波形与原始信号一致,上升时间仍为:1ns。

  单端有源探头:

  单端有源探头结构如图 11 所示,使用放大器实现阻抗变换的目的。单端有源探头的输入阻抗较高(一般达 100Kohm 以上),而输入电容较小(一般小于 1pf),通过探头放大器后连接到示波器,示波器必须使用 50ohm 输入阻抗。有源探头带宽宽(现在可达 30GHz),而负载小,但是价格相对较高(一般每根探头达到同样带宽示波器价格的 10%左右),动态范围较小,比较脆弱,使用需小心。需要注意,因为超过探头动态范围的信号,不能正确测试,一般动态范围 5V 左右。

  差分探头结构如图 12 所示,使用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分探头的输入阻抗较高(一般达 50Kohm 以上),而输入电容较小(一般小于 1pf),通过差分探头放大器后连接到示波器,示波器必须使用 50ohm 输入阻抗。差分探头带宽非常宽(现在可达 30GHz),负载非常小,具有较高共模抑制比,但是价格相对较高(一般每根探头达到同样带宽示波器价格的 10%左右),动态范围也较小(这个需要注意,因为超过探头动态范围的信号,不能正确测试。一般动态范围 3V 左右),比较脆弱,使用需小心。

  差分探头适合测试高速差分信号(测试时不用接地),适合放大器测试,电源测试,适合虚地测试等应用。

  电流探头也是有源探头,利用霍尔传感器和感应线圈实现直流和交流电流的测量。电流探头把电流信号转换成电压信号,示波器采集电压信号,再显示成电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流,使用时需要引出电流线(电流探头是把导线夹在中间进行测试的,不会影响被测电路)。

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