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深入了解示波器探头,学会这些再也不怕效率低

eefocus ·2020-08-25 00:00·电子工程世界
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深入理解示波器探头各种作用及工作原理

示波器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,如下图:

图 1 示波器探头的作用

探头的选择和使用需要考虑如下两个方面:


其一: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;


其二: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

一、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。探头的负载效应包括下面 3 部分:


1. 阻性负载效应;


2. 容性负载效应;


3. 感性负载效应。

图 2 探头的负载效应

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

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。

图 4 探头的容性负载

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,一般地线电感=1nH/mm。

图 5 探头的感性负载

二、探头的类型
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。无源有源顾名思义就是需不需要给探头供电。

无源探头细分如下:


1. 低阻电阻分压探头;


2. 带补偿的高阻无源探头(最常用的无源探头);


3. 高压探头

有源探头细分如下:


1. 单端有源探头;


2. 差分探头;


3. 电流探头

最常用的高阻无源探头和有源探头简单对比如下:

表 1 有源探头和无源探头对比

示波器探头原理

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。

图 6 低输入电阻探头结构

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)。

图 7 常用的无源探头结构

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。下图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下图的右边所示。

图 8 无源探头的补偿

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。

图 9 高压探头的结构

三、有源探头

我们先来观察一下用 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(如下图中的兰色信号),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。

图 10 无源探头和有源探头对被测信号和测量结果的影响

具体测试结果如下:
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;

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。

单端有源探头结构图如下,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(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 5V 左右),比较脆弱,使用需小心。

图 11 有源探头结构

差分探头结构图如下,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。

图 12 差分探头结构

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)。

电流探头在测试直流和低频交流时的工作原理:
当电流钳闭合,把一通有电流的导体围在中心时,相应地会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转,在霍尔传感器的输出产生一个电动势。电流探头根据这个电动势产生一个反向(补偿)电流送至电流探头的线圈,使电流钳中的磁场为零,以防止饱和。电流探头根据反向电流测得实际的电流值。用这个方法,能够非常线性的测量大电流,包括交直流混合的电流。

图 13 电流探头测试直流和低频时的工作原理

电流探头在测试高频时的工作原理:
随着被测电流频率的增加,霍尔效应逐渐减弱,当测量一个不含直流成分的高频交流电流时,大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。此时,探头就像一个电流变压器,电流探头直接测量的是感应电流,而不是补偿电流,功放的输出为线圈提供一个低阻抗的接地回路。

图 14 电流探头测试高频时的工作原理

电流探头在交叉区域时的工作原理:
当电流探头工作在 20KHz 的高低频交叉区域时,部分测量是通过霍尔传感器实现的,另一部分是通过线圈实现的。

图 15 电流探头交叉区域的工作原理

四、有源探头附件
现代的高带宽有源探头都采用分离式的设计方法,即:探头放大器与探头附件部分分开。这样设计的好处是:

1、支持更多的探头附件,使得探测更加的灵活;


2、保护投资,最贵的是探头放大器(一个探头放大器可以支持多种探测方式,以前需要几个探头来实现);同时探头附件保护探头放大器(探头附件即使损坏,价格也相对便宜);


3、这种设计方式容易实现高带宽。

图 16 探头附件

这些探头附件,主要包括以下几种:
1、点测探头附件(包括:单端点测和差分点测);


2、焊接探头附件(包括:单端焊接和差分焊接,分离式的 ZIF 焊接);


3、插孔探头附件;


4、差分 SMA 探头附件(示波器一般直接支持 SMA 连接,但是如果被测信号需要上拉如 HDMI,则必须使用 SMA 探头附件)。

探头附件的电路结构如下图所示:
1、在探头附件尖端部分会有一对阻尼电阻(一般 82ohm),这对阻尼电阻的作用是消除探头附件尖端部分的电感的谐振影响;


2、探头尖端部分的后面是 25Kohm 的电阻,这个电阻决定了探头的输入阻抗(直流输入阻抗即电阻:单端 25Kohm,差分 50Kohm),这个电阻使得被测信号传输到探头放大器部分的功率是非常小的,不至于对被测信号有较大影响。


3、25Kohm 的电阻后面是同轴传输线部分,这个传输线负责把小信号传输到放大器。这个传输线的长度可以很长,也可以很短,中间可以加衰减器,也可以加耦合电容。

关键字: 示波器 变压器 探头 编辑:什么鱼 引用地址: http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic507571.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
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