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示波器探头的重要性,你了解多少?

eefocus ·2020-08-27 00:00·电子工程世界
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电子产品日益复杂,市场对示波器的带宽和准确性提出更高要求。这不是购买一台高档示波器就能解决的问题,还需搭配适合的探头和正确的测试方法。本文从探头的原理出发,讲述如何正确选择和使用探头。

一、认识示波器探头

被测信号不可能直接接入到示波器中,这就需要一个设备为测试点与示波器之间建立电气连接。根据需求不同,这个设备可以是一个导线,也可能是较为复杂的电路。这个负责勾连测试点与示波器的设备就是示波器探头。所以示波器探头至关重要,没有探头示波器将无法进行测量。

图 1

上图为示波器探头测量时的示意图,从上图可知,示波器一般具有三个典型的部分,探头头部、探头电缆和探头补偿设备。其中探头头部的作用是与测试点直接接触,从而与被测系统产生电气连接,最终获取到需要测量的信号。探头电缆的作用则是使示波器和探头头部彼此不互相干涉,可以做到在不移动示波器的前提下,随意移动探头头部,使之可以方便的与测试点接触。最后的探头补偿设备,主要是为了尽量消除探头电缆带来的负面影响,从一定程度上保持探头的测量准确性。

由探头的基本结构可知,探头是不可能被看为一个透明的设备,一定会有很多性能上的限制,比如探头电缆和补偿设备决定了探头的带宽,又比如探头中的器件尺寸也决定了探头的输入电压。所以探头会有一些基本的参数。在此归纳一下:

1、衰减系数

衰减系数,是所有探头都会有的一个参数,指的是探头使信号幅度下降的程度。某些探头可能会有可选择的衰减系数。典型的衰减系数有 1×、10×和 100×。1×探头表示不会对信号进行衰减。10×则表示信号会被衰减 10 倍再输入示波器。1×、10×这些名称的由来,是因为之前的示波器没有自动识别探头衰减系数和自动调节的能力,所以需要通过 1×、10×这些名称来提醒测试者记得要把测量出来的结果乘以相应的倍数。

2、带宽

带宽也同样是一个探头必备的参数,指的是探头导致信号衰减 -3dB 情况下的频率点。如下图所示:

图 2

如 100MHz 探头就有 100MHz 带宽,500MHz 探头就有 500MHz 带宽。一些探头,还会有一个低频的带宽频率,比如一些 AC 探头,不能传递 DC 信号,它在低频段会有一个带宽参数。值得一提的是,带宽指的是 -3dB 的频谱,此时信号被测量出的幅度只有真实信号的 70.7%,所以测量者需要考虑对这个结果是否可以被接受,否则就需要使用更高带宽的探头。

3、上升时间

带宽指的是对单一正弦波的测量,如果需要测量的是方波,则需要考虑探头的上升时间,该参数是探头在阶跃信号激励的输入下,输出信号从 10%上升至 90%所需的时间。这个参数实际上是用来进行评估误差范围的。比如被测试方波信号的上升沿的上升时间为 10ns,则经过一个上升时间为 3.5ns 的探头,最终输出的上升时间就大致为:

上升时间退化了 5.9%。

如果此时改用 0.7ns 的探头,则输出的上升时间为:

上升时间仅仅退化了 0.24%。所以测量时,就需要尽量选择上升时间远小于被测信号上升时间的探头,一般需要 3~5 倍。

4、最大输入电压

最大输入电压是指探头可以输入的最大额定值的电压。最大输入电压取决于探头机身和探头内部器件的额定击穿电压。一般该项会通过一些安规规范来给出,而不是给出单一的电压,比如一般 10×的无源探头的最大输入电压为 300VRMS CAT Ⅱ。其中 CAT Ⅱ 指的是一类测试场景,300VRMS CAT Ⅱ指的是在这类测试场景下可以测量的最大电压。而且这个电压并不是一个恒定值。而是会随着频率的变化而变化。一般探头会给出自己的电压额定曲线,如下图所示:

图 3

5、输入电容

输入电容就是从探头的探头头部端测量出的电容。对于有源探头,该电容包括探头探针的寄生电容和探头内部电路中的电容。对于一些无源探头,还要包括探头电缆的寄生电容和示波器本身的电容。该电容值越小,一般说明探头可测量的频率越高。

6、输入电阻

探头的输入电阻是探头的探头头部端测量出的电阻,该值是在 DC 情况下测量出来的。对于无源探头来说,衰减比例越大,探头的输入电阻越高。

7、示波器补偿范围

多数无源探头都是一种通用的设备,而在不同示波器之间,甚至在同一台示波器不同通道之间都会有所差异。探头为了兼容这些差异,就会自带一个补偿网络,用来补偿不同示波器间的差异。如果补偿不足或者补偿过度,就会导致测量结果出现错误。而这个补偿网络是一定会有一个能够调整的范围的,这个范围就是示波器补偿范围。一般的无源探头的示波器补偿范围为 10~35pF。

8、电缆长度

每个探头都必须有一段探头电缆,这是为了更加方便的进行测量。而这段电缆会造成一定的信号传播延时。例如,1m 左右的探头电缆,大概会有 5ns 的延时。对于 10MHz 的信号,这会造成大概 20°左右的延时。电缆越长,会导致相位信号延迟越长。而这个延时一般情况下不会对测量造成影响,因为在一定带宽范围内,这个延时并不会跟随信号频率变化而变化,所以不会造成群延时的失真。只有在两个以上通道一起测量时,传输延时才会产生影响,特别是当电压探头与电流探头一起进行功率测量时,不同探头之间的延时就会造成很大的影响。所以测量之前需要根据电缆长度来推算大致的延时。如果延时过大,则需要使用示波器内的延时校准功能。

二、常见探头种类

常见探头分类如下图所示:

图 4 示波器探头分类

其中无源探头常见的有 1×、10×、100×三种规格,一般情况下,1×探头多为低带宽探头,适用于测量低频低电压的信号,100×探头耐压值一般较高,适用于一些高压测量情景,而 10×探头的带宽一般都比较高,适用于较高速信号的测量。

有源探头中,高速差分探头适用于高速信号的测量,其带宽很高,而且探头负载效益很小,但是一般都价格昂贵。高压差分探头一般适用于对高压场合的测试,与无源探头相比,不仅输入电压更高,一般都在 1000V 以上,而且由于其两根测量线对地阻抗都非常高,使其可以直接进行非接地测量,比如在测量市电时,无源探头的地线必须接到市电的地线上,只能测量 L 或者 N 与地线之间的电压,而高压差分探头却可以进行任意两线间的测量。电流探头用于对电流进行测量,有些电流探头只能测量交流,有些也可以进行直流测量。

三、 探头的使用注意事项

在探头的使用上,还需要考虑一些问题:

1、安全

使用探头进行测量时,最重要的就是安全问题。比如使用无源探头时,探头的地线与示波器的地是连接在一起的,当示波器安全接地的时候,探头是安全的。但是当示波器没有安全接地时,探头的地线就会存在一定的电压从而给使用者带来危险。具体情况如图 5 所示:

图 5

图 6 示波器接地

由于 Y 电容的原因,导致原本的接地点电压就不在是 0V,而是 L 与 N 之间电压的一半也就是 110V 电压,这个电压会对人体进行伤害。所以示波器的测量过程中,一定要保证接地良好,或者采用隔离变压器进行完全的安全隔离,否则有可能会导致使用者触电。

而且此时如果探头的地线是接到了一个比较高的电压上,比如说市电的火线上时,就会导致整个示波器外壳都带有 220V 高压,这时人再触碰示波器时就会发生直接触电,这种情况非常危险,相当于直接将手插入市电插排。

图 7

2、连接顺序

探头通过示波器电源线的地线间接接地,而被测系统可能是一个悬浮的系统,为避免危险,地线必须先连接到地上,将示波器与被测系统共地,然后才能将探头探针点在测试点上。而当断开探头时,也要先断开探针,然后再断开地线。

3、阻抗

使用探头时,需要考虑与示波器的匹配问题。常见的无源探头,一般需要示波器的阻抗档位是 1MΩ阻抗。而一些有源探头则是需要 50Ω阻抗。使用探头前,要看说明书上对应阻抗的说明,来选择相应的示波器档位与之匹配。

4、带宽

当使用探头进行测量时,整个系统的带宽就是由探头带宽和示波器带宽两部分组成的,其中任何一个带宽不足,都会导致最终测量结果不能达到要求。比如选用一个 100M 的探头配套一个 500M 的示波器,那么带宽最多也就只有 100M 左右,这样就无法发挥 500M 示波器的带宽优势。所以合理选择示波器与探头,才能让测试带宽达到要求。

5、电压

选择探头时,还需要考虑测试信号的电压,一方面要保证测试电压不要高于探头的最大输入电压,另一方面也要保证探头输出的信号在示波器的可测量范围内。这需要测试者根据测试信号的电压来选择探头。比如要测量 600Vpp 的电压信号,就需要选择耐压值超过 600Vpp 的探头,而一般示波器最大测量电压是 80V,所以

关键字: 示波器 探头 信号 编辑:什么鱼 引用地址: http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic507922.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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