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示波器探头原理
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
感性负载来源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(>),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,