示波器探头基础入门指南(上)

2015-05-12 11:03:57   来源:ednchina   

关键字: 示波器  探头基础  入门指南

示波器探头是示波器使用过程中不可或缺的一部分,它主要是作为承载信号传输的链路,将待测信号完整可靠的传输至示波器,以进一步进行测量分析。很多工程师很看重示波器的选择,却容易忽略对示波器探头的甄别。试想如果信号经过前端探头就已经失真,那再完美的示波器所测得的数据也会有误。所以正确了解探头性能,有效规避探头使用误区对我们日常使用示波器来说至关重要!

 

在绝大多数示波器测量环境下,我们都需要使用探头。示波器探头有很多种,内部原理构造迥异,使用方法也各不相同。本文主要给大家介绍示波器探头的种类及工作原理,探头使用过程注意事项以及如何选择示波器探头。

 

1 示波器探头种类及工作原理

对于DC直流或一般低频信号而言,示波器探头只是一个由特定阻抗R所形成的一段传输线缆。而随着待测信号频率的增加和不规则性,示波器探头在测量过程中会引入寄生电容C以及电感L,寄生电容会衰减信号的高频成分,使信号的上升沿变缓。寄生电感则会与寄生电容一起构成谐振回路,使信号产生谐振现象。所有这些都会对我们测量信号的准确性带来挑战。

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图1 探头电气特性示意图

 

示波器探头按供电方式分可分为无源探头和有源探头。无源探头又分为无源低压、无源高压及低阻传输线探头等,有源探头又分为有源单端、有源差分、高压差分探头等。此外,在一些特殊应用下,还会使用到电流探头(AC、DC)、近场探头、逻辑探头以及各类传感器(光、温度、振动)探头等。

 

无源探头是最常用的一类电压探头,也是我们在购买示波器时标配赠送的探头。如图2所示。
 

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 图2 无源探头示意图

 

无源探头一般使用通用型BNC接口与示波器相连,所以大多数厂家的无源探头可以在不同品牌的示波器上通用(某些厂家特殊接口标准的探头除外),但由于示波器一般无法自动识别其他品牌的探头类型,所以此时需要手动在示波器上设置探头衰减比,以保证示波器在测量时正确补偿探头带来的信号衰减。

 

图3所示为日常最为常见的一类无源探头原理示意图,它由输入阻抗Rprobe、寄生电容Cprobe、传输导线(一般1至1.5米左右)、可调补偿电容Ccomp组成。此类无源探头一般输入阻抗为10MΩ,衰减比因子为10:1。

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 图3无源探头原理图

 

在使用此类探头时,示波器的输入阻抗会自动设置为高阻1MΩ。此时示波器BNC通道输入点的电压Vscope与探头前端所探测的电压值Vprobe的关系满足以下对应关系:

Vprobe/Vscope = (9MΩ + 1MΩ) / 1MΩ = 10 : 1

由关系式可知,示波器得到的电压是探头探测到电压的十分之一,这也是无源探头10:1衰减因子的由来。无源探头具备高阻抗10MΩ,因此它对待测电路的负载效应(将在第二部分详述)很小,能覆盖一般低频频段(500MHz以内),耐压能力强(300V-400Vrms),价格便宜,通用性好,所以得到广泛使用。

 

当无源探头的衰减因子为100:1、1000:1甚至更高时,此类探头一般归类为无源高压探头。由于其衰减比很大,因此能测量高压、超高压电信号。
 

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 图4 R&S RT-ZH10高压探头

 

还有一类无源探头,其衰减比为1:1,信号未经衰减直接经过探头传输至示波器,其耐压能力不及其它无源探头,但它具备测试小信号的优势。由于不像10:1衰减比探头那样信号需要示波器再放大10倍显示,所以示波器内部噪声未放大,测量噪声更小,此类更适用于测试小信号或电源纹波噪声。

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图5 R&S HZ-154 1:1/10:1可调衰减比无源探头

 

无源传输线探头是另一类特殊的无源探头,其特点是输入阻抗相对较低,一般为几百欧姆,支持带宽更高,可达数GHz以上。图6为输入阻抗为500Ω的10:1无源传输线探头原理图:

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图6传输线探头原理图

 

传输线探头具备低寄生电容,低输入阻抗的特性,一般用来测量高频信号。在使用传输线探头时应该注意将示波器输入阻抗设置为50Ω,以与传输线50Ω阻抗相匹配,传输线探头的典型应用为测量50Ω传输线上的电信号,通过SMA-N等不同的转换接头,传输线探头也可用在频谱分析仪等其它测试设备上。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0512/article_11733.html
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