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示波器探头原理

时间:2019-07-10 来源: 关键字:测试   电阻   

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

 

 

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,响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

换一批

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