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示波器探頭基礎入門指南(上)

作者: 時間:2017-02-06 來源:網絡 收藏
示波器探頭是示波器使用過程中不可或缺的一部分,它主要是作為承載信號傳輸的鏈路,將待測信號完整可靠的傳輸至示波器,以進一步進行測量分析。很多工程師很看重示波器的選擇,卻容易忽略對示波器探頭的甄別。試想如果信號經過前端探頭就已經失真,那再完美的示波器所測得的數據也會有誤。所以正確了解探頭性能,有效規(guī)避探頭使用誤區(qū)對我們日常使用示波器來說至關重要!

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201702/338123.htm

在絕大多數示波器測量環(huán)境下,我們都需要使用探頭。示波器探頭有很多種,內部原理構造迥異,使用方法也各不相同。本文主要給大家介紹示波器探頭的種類及工作原理,探頭使用過程注意事項以及如何選擇示波器探頭。

1 示波器探頭種類及工作原理

對于DC直流或一般低頻信號而言,示波器探頭只是一個由特定阻抗R所形成的一段傳輸線纜。而隨著待測信號頻率的增加和不規(guī)則性,示波器探頭在測量過程中會引入寄生電容C以及電感L,寄生電容會衰減信號的高頻成分,使信號的上升沿變緩。寄生電感則會與寄生電容一起構成諧振回路,使信號產生諧振現象。所有這些都會對我們測量信號的準確性帶來挑戰(zhàn)。

圖1 探頭電氣特性示意圖

示波器探頭按供電方式分可分為無源探頭和有源探頭。無源探頭又分為無源低壓、無源高壓及低阻傳輸線探頭等,有源探頭又分為有源單端、有源差分、高壓差分探頭等。此外,在一些特殊應用下,還會使用到電流探頭(AC、DC)、近場探頭、邏輯探頭以及各類傳感器(光、溫度、振動)探頭等。

無源探頭是最常用的一類電壓探頭,也是我們在購買示波器時標配贈送的探頭。如圖2所示。

圖2 無源探頭示意圖

無源探頭一般使用通用型BNC接口與示波器相連,所以大多數廠家的無源探頭可以在不同品牌的示波器上通用(某些廠家特殊接口標準的探頭除外),但由于示波器一般無法自動識別其他品牌的探頭類型,所以此時需要手動在示波器上設置探頭衰減比,以保證示波器在測量時正確補償探頭帶來的信號衰減。

圖3所示為日常最為常見的一類無源探頭原理示意圖,它由輸入阻抗Rprobe、寄生電容Cprobe、傳輸導線(一般1至1.5米左右)、可調補償電容Ccomp組成。此類無源探頭一般輸入阻抗為10M?,衰減比因子為10:1。

圖3無源探頭原理圖

在使用此類探頭時,示波器的輸入阻抗會自動設置為高阻1M?。此時示波器BNC通道輸入點的電壓Vscope與探頭前端所探測的電壓值Vprobe的關系滿足以下對應關系:

Vprobe/Vscope = (9M? + 1M?) / 1M? = 10 : 1

由關系式可知,示波器得到的電壓是探頭探測到電壓的十分之一,這也是無源探頭10:1衰減因子的由來。無源探頭具備高阻抗10M?,因此它對待測電路的負載效應(將在第二部分詳述)很小,能覆蓋一般低頻頻段(500MHz以內),耐壓能力強(300V-400Vrms),價格便宜,通用性好,所以得到廣泛使用。

當無源探頭的衰減因子為100:1、1000:1甚至更高時,此類探頭一般歸類為無源高壓探頭。由于其衰減比很大,因此能測量高壓、超高壓電信號。

圖4 R&S RT-ZH10高壓探頭

還有一類無源探頭,其衰減比為1:1,信號未經衰減直接經過探頭傳輸至示波器,其耐壓能力不及其它無源探頭,但它具備測試小信號的優(yōu)勢。由于不像10:1衰減比探頭那樣信號需要示波器再放大10倍顯示,所以示波器內部噪聲未放大,測量噪聲更小,此類更適用于測試小信號或電源紋波噪聲。

圖5 R&S HZ-154 1:1/10:1可調衰減比無源探頭

無源傳輸線探頭是另一類特殊的無源探頭,其特點是輸入阻抗相對較低,一般為幾百歐姆,支持帶寬更高,可達數GHz以上。圖6為輸入阻抗為500?的10:1無源傳輸線探頭原理圖:

圖6傳輸線探頭原理圖

傳輸線探頭具備低寄生電容,低輸入阻抗的特性,一般用來測量高頻信號。在使用傳輸線探頭時應該注意將示波器輸入阻抗設置為50?,以與傳輸線50?阻抗相匹配,傳輸線探頭的典型應用為測量50?傳輸線上的電信號,通過SMA-N等不同的轉換接頭,傳輸線探頭也可用在頻譜分析儀等其它測試設備上。


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