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浅谈示波器探头的分类及对丈量的影响

对于示波器来说,其输入接口一般是BNC或者3.5mm等同轴接口。如果被测件的输出使用的是类似的同轴接口连接器,可以通过电缆直接连接示波器;而如果要测试

关于示波器来说,其输入接口一般是BNC或许3.5mm等同轴接口。假如被测件的输出运用的是相似的同轴接口衔接器,能够通过电缆直接衔接示波器;而假如要测验的是PCB板上的信号,或许被测信号运用的不是同轴的衔接器,就需求用到相应的示波器探头

任何运用过示波器的人都会触摸过探头,一般咱们说的示波器是用来测电压信号的(也有测光或电流的,都是先通过相应的传感器转成电压量丈量),探头的首要作用是把被测的电压信号从丈量点引到示波器进行丈量。下图是各式各样的示波器探头

大部分人会比较重视示波器自身的运用,却疏忽了探头的挑选。实践上探头是介于被测信号和示波器之间的中间环节,假如信号在探头处就现已失真了,那么示波器做的再好也没有用。下图是一个比方,一般的500MHz的无源探头自身的上升时间大约为700ps,通过这个探头来测验一个530ps上升时间的信号,即便不考虑示波器带宽的影响,通过探头后信号的上升时间现已变成了860ps。因而,探头关于丈量的影响是不能疏忽不计的。

关于高斯频响的示波器和探头来说,探头和示波器组成的丈量体系的带宽一般能够用以下公式核算:

而关于平整呼应的的示波器和探头来说,其组成的丈量体系的带宽取决于带宽最小的那部分。由此可见,探头以及衔接方法关于测验体系的影响是很大的。

实践上探头的规划要比示波器难得多,因为示波器内部能够做很好的屏蔽,也不需求频频拆开,而探头除了要满意勘探的方便性的要求以外,还要确保至少和示波器相同的带宽,难度要大得多。咱们回忆一下示波器的开展前史,许多其时高带宽的实时示波器刚出现时是没有相应带宽的探头的,一般要迟一段时间相应带宽的探头才会推出。

要挑选适宜的探头,首要的一点是要了解探头对测验的影响,这其间包含2部分的含义:探头对被测电路的影响以及探头自身形成的信号失真。抱负的探头应该是对被测电路没有任何影响,一同对信号没有任何失真的。惋惜的是,没有实在的探头能一同满意这两个条件,一般都需求在这两个参数间做一些折衷。

为了考量探头对丈量的影响,咱们一般能够把探头的输入电路简略等效为如下图所示的R、L、C的模型(实践上的模型比这个要担任得多),测验时需求把这个模型和咱们的被测电路放在一同剖析。

首要,探头自身有输入电阻。和万用表测电压的原理相同,为了尽或许削减对被测电路的影响,要求探头自身的输入电阻Rprobe要尽或许大。但因为Rprobe不或许做到无穷大,所以就会和被测电路发生分压,形成实践测到的电压或许不是探头实在的电压,这种状况在一些电源或放大器电路的测验中会常常遇到。为了防止探头电阻负载形成的影响,一般要求探头的输入电阻要大于源阻抗以及负载阻抗至少10倍以上。大部分探头的输入阻抗在几十k欧姆到几十M欧姆间。

其次,探头自身有输入电容。这个电容不是故意做进去的,而是探头的寄生电容。这个寄生电容也是影响探头带宽的最重要因素,因为这个电容会衰减高频成分,把信号的上升沿变缓。一般高带宽的探头寄生电容都比较小。抱负状况下探头的寄生电容Cprobe应该为0,可是实践做不到。一般无源探头的输入电容在10pf至几百pf间,带宽高些的有源探头输入电容一般在0.2pf至几pf间。因为寄生的电容的存在,探头的输入阻抗(留意,不是直流输入电阻)跟着频率会下降,然后影响探头的带宽。

下图是两种常用探头的输入阻抗随频率改变的曲线,两种探头的输入阻抗在直流状况下都是高阻的:最遍及运用的500MHz带宽的高阻无源探头在直流状况下能够有10MΩ的输入阻抗,另一款2GHz带宽的单端有源探头的输入阻抗在直流状况下是1MΩ。可是因为左面的高阻无源探头有更大的寄生电容,因而跟着频率的添加,其输入阻抗随频率添加下降得更快,当频率到70MHz时,其输入阻抗现已远远小于寄生电容更小的有源探头。因而,输入寄生电容关于探头带宽的影响是非常大的。

再其次,探头输入的信号还会遭到寄生电感的影响。探头的输入电阻和电容都比较好了解,探头输入端的电感却常常被忽视,尤其是在高频丈量的时分。电感来自于哪里呢?咱们知道有导线就会有电感,探头和被测电路间必定会有一段导线衔接,一同信号的回流还要通过探头的地线。示波器探头常用的地线一般1mm探头的长度会有大约1nH的电感,信号和地线越长,电感值越大。如下图所示,探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路,当电感值太大时,谐振频率很低,很简单在输入信号的鼓励下发生高频谐振,形成信号的失真。所以高频测验时需求严格控制信号和地线的长度,不然很简单发生振铃。

在了解探头的结构之前,咱们还需求先了解一下示波器输入接口的结构,因为这里是衔接探头的当地,示波器的输入接口电路和探头一起组成了咱们的勘探体系。

大部分的示波器输入接口选用的是BNC或兼容BNC的方式(有些高带宽的示波器会选用一些特别规划的接口,比方2.92mm或1.85mm的同轴接口)。如下图所示,许多通用的示波器在输入端有1M欧姆或50欧姆可切换的匹配电阻。示波器的探头品种许多,可是示波器的的匹配只要1M欧姆或50欧姆两种挑选,不同品种的探头需求不同的匹配电阻方式。

从电压丈量的视点来说,为了对被测电路影响小,示波器能够选用1M欧姆的高输入阻抗,可是因为高阻抗电路的带宽对寄生电容的影响很灵敏。所以1M欧姆的输入阻抗广泛使用与500M带宽以下的丈量。关于更高频率的丈量,一般选用50欧姆的传输线,所以示波器的50欧姆匹配首要用于高频丈量。传统上来说,市面上100MHz带宽以下的示波器大部分只要1M欧姆输入,因为不会用于高频丈量;100MHz~几GHz带宽的示波器大部分有1M欧姆和50欧姆的切换挑选,一同统筹高低频丈量;几GHz或更高带宽的示波器因为首要用于高频丈量,所以大部分只要50欧姆输入。

广义的含义上说,测验电缆也归于一种探头,比方BNC或SMA电缆,并且这种探头既廉价功能又高(条件是电缆的质量不要太差),可是运用测验电缆衔接时需求在被测电路上也有BNC或SMA的接口,所以使用场合有限,首要用于射频和微波信号测验。关于数字或通用信号的测验,许多时分仍是需求专门的探头。下图是示波器里常用的一些探头的分类。

示波器的探头按是否需求供电能够分为无源探头和有源探头,按丈量的信号类型能够分为电压探头、电流探头、光探头号。所谓的无源探头,是指整个探头都由无源器材构成,包含电阻、%&&&&&%、电缆等;而有源探头内部一般有放大器,放大器是需求供电的,所以叫有源探头。

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