关于示波器探头各种作用及工作原理

零式未来
2022-05-26
来源:零式未来

    任何使用过示波器的人都会接触到探头。通常,我们所说的示波器用于测量电压信号(也有光或电流,它们首先通过相应的传感器转换为电压测量)。探头的主要功能是将测量的电压信号从测量点引入示波器进行测量。


    大多数人会更加关注示波器本身的使用,但忽略了探头的选择。事实上,探头介于被测信号和示波器之间的中间环节。如果信号在探头处失真,那么无论示波器做得多好,它都是无用的。事实上,探头的设计比示波器要困难得多,因为示波器内部可以很好地屏蔽,不需要经常拆卸。除了满足检测方便的要求外,探头还应确保至少与示波器相同的带宽要困难得多。因此,当第一个高带宽的实时示波器第一次出现时,没有相应的探头,一段时间。


    要选择合适的探头,首先要了解探头对测试的影响,其中包括两部分的含义:1/探头对被测电路的影响;2/探头引起的信号失真。理想的探头应该对被测电路和信号没有失真影响。不幸的是,没有真正的探头能同时满足这两个条件,通常需要在这两个参数之间做一些折衷。


    为了考虑探头对测量的影响,我们通常可以简单地将探头模型等同于R、L、C模型,并将该模型与测量电路进行分析。


关于示波器探头各种作用及工作原理


    首先,探头本身有输入电阻。与万用表测量电压的原理一样,为了尽可能减少对被测电路的影响,探头本身的输入电阻RProbe应尽可能大。然而,由于RProbe不可能无限大,它将与被测电路产生分压。实际测量的电压可能不是探头点上之前的真实电压,这在某些电源或放大器电路的测试中经常遇到。为了避免探头电阻负载的影响,RProbe通常需要大于Rsource和Rload的10倍以上。大多数探头的输入阻抗在几十k欧姆到几十兆欧姆之间。


    其次,探头本身有输入电容器。这个电容器不是故意做的,而是探头的寄生电容器。这种寄生电容器也是影响探头带宽的最重要因素,因为它会衰减高频成分,减缓信号的上升。通常高带宽的探头寄生电容相对较小。理想情况下,Cprobe应该是0,但实际上不可能。无源探头的输入电容一般在10pf到几百pf之间,带宽较高的有源探头的输入电容一般在0.2pf到几pf之间。


    其次,探头输入端也会受到电感的影响。探头的输入电阻和电容更容易理解,但探头输入端的电感往往被忽略,尤其是在高频测量中。电感从何而来?我们知道,如果有电线,就会有电感。探头和被测电路之间必须有一段电线连接。同时,信号的回流必须通过探头的地线。通常,1mm探头的地线会有1nH左右的电感。信号和地线越长,电感值越大。探头的寄生电感和寄生电容形成谐振电路。当电感值过大时,在输入信号的鼓励下可能会产生高频谐振,导致信号失真。因此,在高频测试中,需要严格控制信号和地线的长度,否则很容易产生振铃。


    在了解探头的结构之前,我们需要了解示波器输入接口的结构,因为它是连接探头的地方。示波器的输入接口电路和探头共同构成了我们的探测系统。


    大多数示波器的输入接口是BNC或与BNC兼容的。示波器的输入端有1M欧姆或50欧姆的匹配电阻。示波器的探头有很多种,但总是只有1M欧姆或50欧姆,不同类型的探头需要不同的匹配电阻。


    从电压测量的角度来看,示波器可以使用1M欧姆的高输入阻抗,但由于高阻抗电路的带宽容易受到寄生电容的影响。因此,1M欧姆的输入阻抗被广泛应用于500M带宽以下的测量。50欧姆的传输线通常用于更高频率的测量,因此示波器的50欧姆匹配主要用于高频测量。


    传统上,市场上100MHz带宽以下的示波器大多只有1M欧姆输入,因为它们不用于高频测量;100MHz~1GHz带宽的示波器大多有1M欧姆和50欧姆的切换选择,同时考虑高频和低频测量;2GHz或更高带宽的示波器大多只有50欧姆输入,因为它们主要用于高频测量。然而,随着市场需求,一些2GHz以上的示波器也提供1M欧姆和50欧姆的输入切换。


    广义上说,测试电缆也是一种探头,如BNC或SMA电缆,它既便宜又高。然而,在使用测试电缆连接时,BNC或SMA的接口也需要在测试电路上连接,因此应用场合有限,主要用于射频和微波信号测试。对于数字或通用信号的测试,仍需要一个特殊的探头。


    根据是否需要供电,示波器探头可分为无源探头和有源探头,根据测量信号类型可分为电压探头、电流探头、光探头等。所谓的无源探头是指由无源设备组成的整个探头,包括电阻、电容器、电缆等。;有源探头一般有放大器,需要供电,所以称为有源探头。


    根据输入阻抗的大小,无源探头分为高阻无源探头和低阻无源探头。


    高阻无源探头是我们通常所说的无源探头,应用最广泛。基本上,每个使用过示波器的人都接触过这种探头。当高阻无源探头与示波器连接时,示波器端的输入阻抗要求为1M欧姆。以下是10:1高阻无源探头的原理框图。


    为了方便测量,探头通常长约1米。如果没有匹配电路,很难想象探头能提供数百兆Hz的带宽。示波器的输入寄生电容器也会影响带宽。为了改善探头的高频对应性,探头前端将有相应的匹配电路,最典型的是RProbe和CProbe的并联结构。探头在带内产生平坦增益的条件之一是满足RProbe*CProbe=RSCope*CSCope。如果你感兴趣,你可以自己推。正如我们前面介绍的,CSCope是示波器的寄生电容,所以它只能控制在一定范围内,但不能准确控制,也就是说,CSCope的值在不同的示波器或示波器的不同通道之间会有所不同。为了补偿不同通道CSCope的变化,探头连接器的一端通常至少有一个可调电容Comp。当探头连接到不同的通道时,可以通过调整Ccomp来补偿Cscope的变化。几乎所有的示波器都提供低频方波输出,可以通过测量探头来调整。


    RProbe在改善频率响应的同时,会与示波器输入电阻产生分压。所谓10:1分压,是指示波器实际测量的电压是探头前端电压的1/10,即信号通过探头会有10倍的衰减。相对简单的探头需要手动设置示波器的探头衰减倍数来正确显示。更多的探头在与示波器的连接端有一个自动检测的针脚。当插入探头时,示波器可以读取探头的衰减比,并自动调整显示比。


    高阻无源探头有两种特殊类型。一种是高压探头,其衰减比可达100:1或1000:1,因此测量电压范围很大;另一种是1:1探头,即信号进入示波器而不衰减。与10:1探头不同,示波器需要放大显示器,因此示波器本身的噪声不会放大,测量噪声会小得多,广泛应用于小信号和电源纹波的测量场合。


    高阻无源探头具有成本低、输入阻抗高、测量范围大、连接方便等优点,广泛应用于一般测试场合。然而,随着测试频率的提高,各种二级寄生参数难以控制,单靠简单的匹配电路无法再次提高带宽,因此高阻无源探头的带宽一般低于600mHz。(未完成)


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