示波器探头基础入门指南

精品精品感谢下载载感谢下载载示波器探头根底入门指南(上)待测信号完整牢靠的传输至示波器，以进一步进展测量分析。很多工程师很看重示波器的的示波器所测得的数据也会有误。所以正确了解探头性能，有效躲避探头使用误区对我们日常使用示波器来说至关重要！过程留意事项以及如何选择示波器探头。示波器探头种类及工作原理对于DC直流或一般低频信号而言，示波器探头只是一个由特定阻抗R所形成的一段传输线缆。而随着待测信号频率的增加和不规章性，示波器探头在测量过程中会引入寄生电容C以及电感L，寄生电容会衰减信号的高频成分，使信号的上升沿变缓。寄生电感则会与寄生电容一起构成谐振回路，使信号产生谐振现象。全部这些都会对我们测量信号的准确性带来挑战。1探头电气特性示意图及低阻传输线探头等，有源探头又分为有源单端、有源差分、高压差分探头等。此外，在一些特别应用下，还会使用到电流探头〔AC、DC〕、近场探头、规律探头以及各类传感器〔光、温度、振动〕探头等。无源探头是最常用的一类电压探头，也是我们在购置示波器时标配赠送的探头。如图2所示。2无源探头示意图无源探头一般使用通用型BNC接口与示波器相连，所以大多数厂家的无源探头可以在不同品牌的示波器上通用〔某些厂家特别接口标准的探头除外〕，但由于示波器一般无法自动测量时正确补偿探头带来的信号衰减。图3所示为日常最为常见的一类无源探头原理示意图，它由输入阻抗Rprobe、寄生电容Cprobe、传输导线〔一般1至1.5米左右〕、可调补偿电容Ccomp组成。此类无源探头10MΩ10：1。3在使用此类探头时，示波器的输入阻抗会自动设置为高阻1MΩ。此时示波器BNC通道输Vscope与探头前端所探测的电压值Vprobe的关系满足以下对应关系：Vprobe/Vscope=(9MΩ+1MΩ)/1MΩ=10:1由关系式可知，示波器得到的电压是探头探测到电压的格外之一，这也是无源探头10：1衰减因子的由来。无源探头具备高阻抗10MΩ，因此它对待测电路的负载效应〔将在其次局部详述〔500MHz以内〔300V-400Vrms〕，价格廉价，通用性好，所以得到广泛使用。当无源探头的衰减因子为100：1、1000：1甚至更高时，此类探头一般归类为无源高压探头。由于其衰减比很大，因此能测量高压、超高压电信号。4R&SRT-ZH10还有一类无源探头，其衰减比为1：1，信号未经衰减直接经过探头传输至示波器，其耐压力量不及其它无源探头，但它具备测试小信号的优势。由于不像10：1衰减比探头那样信号需要示波器再放大10倍显示，所以示波器内部噪声未放大，测量噪声更小，此类更适用于测试小信号或电源纹波噪声。图5R&SHZ-1541:1/10:1无源传输线探头是另一类特别的无源探头，其特点是输入阻抗相对较低，一般为几百欧姆，GHz6500Ω10：1图：6头时应当留意将示波器输入阻抗设置为50Ω，以与传输线50Ω阻抗相匹配，传输线探头的典型应用为测量50Ω传输线上的电信号，通过SMA-N等不同的转换接头，传输线探头也可用在频谱等其它测试设备上。图7用于与低输出阻抗〔几十至100欧姆〕的电路测试。对于更高输出阻抗的电路，我们可以选择使用高阻有源探头的方案，将在后续详述。8R&SRT-ZZ808.0GHz点是“有源”，即它需要供给电源才能工作。如今大多数有源探头都配备有特别借口，通过〔某些型号除外〕为有源单端探头原理图：9有源单端探头原理图〔1MΩ上下50Ω传输线到达示波器，示波器的输入阻抗需选择为50作匹配。由于其较低的寄生电容和50欧姆传输，有源单端探头可以供给比无源探头更高的带宽，因此主要应用在高频信号的测量领域。由于需要集成有源放大器，因而其本钱相对于无源探头来说更高，一个几GHz带宽的有源而其动态范围有限，一般有源单端探头的动态范围仅在几伏范围之内，探头所能承受的最大电压也只有几十伏。R&S有源单端探头还可以与RT-ZA9〔N型转换接头，USB供电〕附件连接，进而用在射频信号源和频谱上，用来测试特殊环境下的信号，如传统50欧姆同轴线缆无法连接的探测点处，或者需要使用高阻探头探测待测点信号频谱时。图10R&SRT-ZSRT-ZA9N用来测试差分信号，探头前端有三处连接点：信号正、信号负、地。图11有源单端探头前端〔左〕与有源差分探头前端〔右〕有源差分探头的原理图如下：12容和高带宽特性，所不同的是，有源差分探头具有高共模抑制比〔CMRR〕，对共模噪声〔一般为相位相差180度的正反信号〕的相对电压差，与地无关。图13差分信号测试原理示意图上图显示了用有源差分探头测试差分信号的原理，图中红色波形显示的为差分信号Vin+，Vin-180度。Vin+和Vin-经由差分波形。这里要介绍几个概念，以便大家能够更好的理解共模抑制比CMRR。共模〔CommonMode〕：差分信号两端具有一样幅度和相位的信号成分，用表达式表示Vcm=〔Vin++Vin-〕/2.由于抱负的Vin+、Vin-幅度一样，相位相反，所以二者相加应当为零。但在实际工作环境下，Vin+、Vin-上会叠加上噪声干扰Vnoise。由于Vin+、Vin-所处环境一样，因而在二者上叠加的噪声也往往一样，所以由CMCM=Vnoise.〔DifferentialMode〕Vdm=Vin+-Vin-.共模抑制〔CommonModeRejection〕：差分放大器对共模信号的抑制力量，即差分放大器的一项主要力量是对VnoiseVcm经过差分放大器的增益为AcmVdmAdm，则我们可以用共模抑制比〔CommonModeRejectionRatio〕即CMRR来表示共模抑制力量，其表达式为：CMRR=Adm/Acm举例如以下图：差模信号Vdm幅度为1V，经过差分放大器后幅度为2V，即Adm=2.共模Vcm4.5V0.45VAcm=0.1.因此，CMRR2/0.1=20：1=26dB。14差分信号测试举例对于抱负的差分放大器而言，我们期望其完全抑制共模信号，从而消退噪声Vnoise对差分信号测量的影响。对于一般的差分信号测量而言，20dB的CMRRR&SRT-ZD40CMRR50dB，性能格外优异。15R&SRT-ZD40值得一提的是，R&S的有源单端探头和有源差分探头上都配备了MicroButton多功能按钮和ProbeMeter探头计功能。其中，MicroButton是位于有源探头前段的一个微型按钮，用户可以在测试时很便利的按动按钮，从而执行对示波器的特定掌握〔可自定义〕，如：自动设置、默认设置、单次运行、连续运行等。16MicroButtonProbeMeter则是集成在有源探头前端的16位DC电压计，可用来直接在探头点处测试直DCProbeMeter0.1%的高精准度。在使用差分探头时，可以借助此功能便利快捷查看单端、共模、差模电压数值。17ProbeMeter有源差分探头可用于绝大多数较小幅度差分信号的测量忙，相对于一般差分探头而言，高压差分探头具有更高的动态范围，能够承受更高的电压。图8S1V高压差分探头高压差分探头相对于无源高压探头而言价格昂贵将示波器的电源接地线剪断，使示波器“浮起来”进展测试，这是格外危急的，肯定要杜绝此类行为。我们将在其次局部具体说明。电流探头严格意义上说也属于有源探头的一种电。电流探头主要分为三类：AC〔仅能测试沟通电〕DC〔仅能测试直流电〕AC+DC。AC+DC电流探头的原理如下，主要是利用电磁效应〔AC测量〕和霍尔效应〔DC测量〕。19AC+DC当有AC弱直接感应到电流探头的线圈。探头就象一个电流变压器，系统直接测量的是感应电流。假设是DC感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电压。系统依据这个电压产生一个反相〔补偿〕电流至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，防止磁饱和。系统依据反相电流测得实际得电流值。电流探头的选择主要依据其测量带宽、量程以及钳口直径等。MSO8bit头依据示波器所设置的判决门线电平，将捕获的电压依据0、1跳变〔1bit〕的数字信号在屏幕上显示出来。用户可以依据多路数字信号的规律电平及关系来推断规律电路的性能。20R&SRTO-B1EMI近场探头是另一类特别的探头类型，它实际使用了天线接收原理，用来捕获电路板上空间辐射的电磁场干扰，特别是在系统集成中做EMI21EMI除了以上给大家介绍的各种探头之外，还有光探头、温度传感探头及其他各类传感探头等。可以作为示波器探头，用户可以依据具体使用环境和需求选择适合的探头类型。示波器探头根底入门指南(下)示波器探头的主要指标带宽70.7%〔-3dB〕时对应的输入信号频率。1当示波器协作探头使用时，示波器+探头就构成了一套测量系统，此测量系统的带宽满足以下公式：1.5上升时间探头的上升时间是指探头对阶跃函数10%-90%的响应时间。一般而言，探头带宽越高，上升时间越短。与示波器一样，大多数探头的带宽与上升时间满足0.35公式，即：Trise

=0.35/BWprobe示波器+探头测量系统的上升时间则满足以下公式：输入阻抗50Ω至10MΩ头的负载效应〔将在第三节中详述〕。输入阻抗越大，探头的负载效应越小，对待测电路正越大。输入电容输入电容是有源探头的一项关键指标。有源探头的输入电容一般很小，小至pF甚至零点几pF。小的电容会在高的频带上供给较大的输入阻抗，从而减小负载效应。由输入电容导致的输入阻抗公式如下：R=1/2πfCin in由以上公式可知，Cin越小，探头可以支持更高的带宽f，这也是为什么有源探头相对于无源探头而言可以供给更大的带宽的缘由。衰减比10：1，即10X1X100X1000X探头等。最大输入范围探头都有最大输入范围，超过肯定输入范围则可能损坏探头。示波器探头使用留意事项负载效应探头的负载效应是指被测电路接上探头后，探头与示波器一起组成了待测电路的并联负载，从而吸引一局部电流流入示波器，对原始待测电路上的信号产品影响。假设负载效应很大，则测到的波形与原始波形变化很大，示波器就不能准确测量波形。图2示波器探头接入引起负载效应那么如何评判探头的负载效应呢？一般来说10如以下图所示：3在探头探测前，探测点的电压为5V×100KΩ/〔100Ω+100KΩ〕=4.995V。探头探测后，1M的阻抗，此时探测点的电压为：5V×(90.9k)/[100+(90.9k)]=4.994V此时，探头引入的负载效应仅为0.001V，可以无视不计。假设待测点的输出阻抗更高，则需要使用更高输入阻抗的探头。50Ω50Ω的传输线缆与信号源输出阻抗〔50Ω〕相匹配，使功率最大的传输至示波器，从而保证了测量精度。而在某些时候，工程师期望测试电路板上某个探测点处的频谱，往往使用剪断的50Ω传输线缆，在剪断处剥离地和传输芯，用以接触探测点。线缆另一端则连接至频谱仪。450Ω传输线缆这种做法则是不行取的，电路板上的探测点与射频源的输出不同，由于传输线的50Ω低阻抗，会对测试点处引入较大的负载效应。正确的做法是，使用高输入阻抗的探头取代50Ω传输线缆，与频谱仪连接。R&S供给了RT-ZA9的BNC-NR&S〔1MΩ〕与频谱仪或接收机相连接，对需要高阻抗测试的DUT5RT-ZA9DC重量测量造成影响，对波形的幅度测量造成误差。容性阻抗对AC重量的测量造成影响，比方会影响〔延缓〕信号的上升时间。感性阻抗则会对波形测量引入振铃现象。6探头补偿使用时，或者因探头资源紧急而临时拿其他品牌探头使用时，都会涉及到探头补偿问题。频率补偿，使频率到达相对稳定的状态。当补偿完成后，具备如下关系式:R =R scope scope probe probe配，此时探头具有最优信号传送力量。那么如何进展探头补偿呢？〔有源探头也存在补偿头自带的螺丝刀小工具即可深入小孔内调整探头的可调电容值。图7调整无源探头的可调电容值具体原理如以下图所示：图8通过调整探头可调电容C 来实现探头匹配comp探头补偿的步骤如下：连接探头与示波器通道；将探头前端连接至示波器上的探头补偿Π方波信号〔一般为1KHz、1V的信号〕；平稳，即实现探头与示波器的匹配。在调整探头时，示波器上显示的方波信号可能存在以下三种状态：图9探头欠补偿、过补偿、匹配状态的波形谐振效应存在振铃现象，即探头带来的谐振效应。10〔特别是在测试高频信号时〕象。11如以下图所示，探头的输入阻抗会在特定频率fx处到达最小值。12其中，Lcon为探头寄生电感，Cin则在测试此频率的信号时会消灭谐振现象。为了降低这种效应，使用者往往使用最短的地线，从而减小探头的Lcon寄生电感，使得fresonance谐振频率最大化，从而超出示波器探头的带宽范围，也就进一步有效避开了谐振效应。图13也就越高。所以，在测试环境允许的状况下，尽可能地使用更短的地线。浮地测量问题测量差分信号时，我们往往面临以下3种选择：使用两个通道CH1、CH2，分别测试差分信号两端，然后相减；图14使用两个单端探头测量差分电压使用差分探头测试；图15直接使用单端探头浮地测量；图16第1种方法需要两个通道及探头之间的完全全都性。即便如此，两个通道上产生的不同噪声也会对测量结果造成影响，此种方法测试的CMRR共模