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如何選擇示波器的探頭?(基礎(chǔ)篇)

更新時間:2022-12-28 點(diǎn)擊次數(shù):1240
引 言 













示波器探頭選擇的基礎(chǔ)篇,目錄如下:

       探頭種類

       電壓探頭規(guī)格

       示波器用電壓探頭

       無源探頭

       有源探頭

       電流測量






工程師朋友們是否注意到這種現(xiàn)象?

使用不同的探頭組合測量同一個對象,觀測到的波形會發(fā)生變化。

而同樣的探頭,使用不同的方法測量,波形(測量范圍)也會不同。

試試看,用DLM4000 觀測200MHz的LVDS信號的結(jié)果會怎樣?


上圖左側(cè)與中間為使用無源探頭但地線接地方式不同后產(chǎn)生的測量結(jié)果。

右側(cè)為使用了有源探頭測量出來的結(jié)果。

這種情況,如何辨別哪個波形測量結(jié)果是正確的呢。

通常我們使用示波器測量波形,不會用多個方法反復(fù)測量同一種波形。但是通過不同測試方法的對比,可以顯而易見地察覺到這些方法測量結(jié)果的差異。顯然有源探頭的測量結(jié)果更精確。由此希望大家能夠注意到,無源探頭與有源探頭性能上的差異,導(dǎo)致其探測到的波形也會有所不同。但是即便使用同樣的探頭,用法不同,波形也會有所不同(見左側(cè)1和2)。所以,選對探頭,選對方法,才能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)原波形。

下面,我們來看看為什么探頭使用方法不同觀測到的波形會發(fā)生不同?

這是探頭的基本構(gòu)造和原理決定的。


探頭的作用



探頭是用來從被測量對象身上拾取信號傳送到示波器的工具,主要由探頭頭部、電纜、校正盒組成。探頭被用來連接被測量電路與示波器,為了實(shí)現(xiàn)精確測量,對探頭的要求非常之高。

探頭連接示意圖.jpg

判斷探頭是否適用,有如下3個基準(zhǔn):

  • 物理接觸

  • 對電路的影響程度

  • 傳輸信號的失真程度


能夠滿足測量要求,精確復(fù)現(xiàn)波形的,就是理想中的探頭——

       忠實(shí)性

  • 可以不失真地傳送波形,忠實(shí)復(fù)現(xiàn)波形。

    低負(fù)荷

  • 不會對測量對象產(chǎn)生影響。

    安全性

  • 可以安全地拾取信號,傳送信號。

    抗噪聲

  • 在傳送信號時不混雜噪聲


但是,“理想"的探頭,在現(xiàn)實(shí)中并不是真實(shí)存在,我們能做的就是無限接近“理想"。探頭或多或少都會對測量對象產(chǎn)生影響,因而也會影響到測量結(jié)果。探頭影響測量結(jié)果是不能絕對避免的,所以在此基礎(chǔ)上正確理解測量結(jié)果顯得尤為重要。


探頭種類



不同的探頭適用于不同的環(huán)境。選擇最合適的探頭是測量的第一步。

首先需要了解需要測量的信號。

電信號基本就是測量電壓或電流,頻率高或低、振幅多少、測量對象的輸出電阻高或低、差分是否需要通過絕緣來測量等。

理解了測量對象,就可以從種類豐富的探頭中做出選擇。

市場上有對應(yīng)測量高電壓、高速信號或用于多種場景的豐富的探頭類型。

1672207598498772.png



對于電流探頭,因其可以進(jìn)行非接觸式測量,所以不會對測量對象產(chǎn)生過大的影響。

我們著重看看電壓探頭如何選擇——


電壓探頭



規(guī)格

選擇電壓探頭時需要確認(rèn)的4種規(guī)格:

  • 頻率范圍:由可測量的頻率決定

  • 輸入電壓范圍:可觀測信號的最大電壓+富余量(電涌等)

  • 輸入電阻:對測量對象產(chǎn)生的直流電負(fù)載

  • 輸入電容:對測量對象產(chǎn)生的交流(高頻)電負(fù)載


參考如上規(guī)格選擇最合適的探頭。

輸入電阻過低會產(chǎn)生直流負(fù)載,會影響到電路的偏壓。

輸入電容過大會影響高速信號的上升等。


主要用途


探頭的主要用途.png

以無源與有源探頭為例,我們簡要說明差分探頭的結(jié)構(gòu)和注意事項(xiàng)。


無源探頭



在示波器用探頭里,最為常用的便是無源探頭。無源探頭堅(jiān)固耐用,加之可以擴(kuò)展測量電壓的范圍,所以用途非常廣泛。

無源探頭.png

等效電路可按照R1、C2、R2、C2'(=Ccable+Cv+C2)表示。

除了Cv,其他均為定值。

在DC里,C的電阻無限大,因此此電路的衰減比由R2/(R1+R2)決定。

為了在高頻里獲得同樣的衰減比,需要將C1與C2’的電阻比與R2、R1的電阻比調(diào)成相同的數(shù)值。

C1:C2'=R2:R1→R1C1=R2C2'

通過適當(dāng)調(diào)整Cv,可以在DC到高頻中獲得正確的振幅。反之,未做適當(dāng)調(diào)整時,隨著頻率的變動,振幅會時小時大,無法獲得正確的振幅。

無源探頭的作用便是分壓電壓,使其衰減至示波器的輸入范圍之內(nèi),以及增加輸入阻抗,降低輸入電容。

可不使用高阻抗時,R1在450Ω時可被稱為無C1的電阻探頭。

使用10:1無源探頭 - 首先需要正確調(diào)整!

連接示波器與探頭,調(diào)整探頭上的可變電容器,使不同頻率下的增益穩(wěn)定。相位調(diào)整不正確時,振幅看起來會過小或者過大,從而導(dǎo)致錯誤結(jié)果。


下圖是利用示波器的CAL輸出(1KHz方波)進(jìn)行調(diào)整的示例。

CAL輸出.png


如果校正不正確,就會在錯誤的波形振幅下進(jìn)行觀測。

波形振幅.png

如果你測試的信號振幅比預(yù)想的大,就嘗試用2根探頭觀測同樣的信號,2根探頭觀測到的信號振幅不同,那么你就需要校正探頭。


探頭校正,可使用方波來進(jìn)行調(diào)整,但如果調(diào)整不當(dāng),測量方波時其影響會非常明顯。

可是這種影響,在測量更高方波頻率的波形時,卻不容易被人識別。正弦波亦是如此。

如上圖所示,校正不當(dāng)時,輸入小于1kHz的信號后其結(jié)果便顯而易見。頻率更快的信號和正弦波的觀測結(jié)果如圖所示,沒有明顯異常,但實(shí)際上振幅受到了影響,無法精確測量。


10:1無源探頭的構(gòu)成(數(shù)10MHz以上的等效電路示意圖)


等效電路示意圖.png

這里展示的探頭系統(tǒng)為利用了示波器輸入電阻的分壓電路。高頻下的示波器輸入電阻,即使生產(chǎn)商相同,機(jī)器規(guī)格不同也會有所不同,因此探頭會根據(jù)機(jī)型進(jìn)行細(xì)致的調(diào)諧。也就是說,即便是同一個探頭,如果連接的示波器機(jī)型(輸入電阻)發(fā)生變化,1/10的分壓也會失衡,無法獲得正確的波形。

注意,在10MHz以上的頻率時,使用非指Ding的探頭無法保證其獲得正確的頻率特征。實(shí)際上根本不能使用!

上面的探頭等效電路是低頻而阻抗較大的情況。隨著頻率升高,阻抗也同時減少。在阻抗減少的過程中通過匹配RC的時間常數(shù),把衰減維持在一定水平上。

頻率越高阻抗越小,此時顯現(xiàn)電感元件造成的影響,在共同的影響作用下阻抗增大,隨頻率發(fā)生變化。不管是窄頻還是寬頻,示波器因阻抗之間分壓的存在,采用了可盡量能控制阻抗變動的設(shè)計(jì)。

有電線就必有電阻、電感、電容,但是線材性能與部件的電容占主導(dǎo)地位,因此此處略過。

同軸電纜在高頻下可視作傳輸線。示波器的輸入端為高阻抗端,因此可被視作開路,探頭終端會發(fā)生全反射,會發(fā)生波長相當(dāng)于電纜長度1/4的諧振。

C=300000000m/s f=v/λ v=c/ √電容率 電容率=2.2

電纜長1.5m時,以33.3Mhz進(jìn)行諧振。

電纜長1m時,以50MHz進(jìn)行諧振。

(未完待續(xù))

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