示波器探头工具仪表使用说明书

探头的原理及种类

f示波器功能的延伸

f影响测量的准确性

f不同的应用,搭配不同的探头

f探头的种类：

–电压

–电流

–光/电转换(O/E)

–逻辑

–物理量:温度,压力...

基本探头类型

电压电流传感器

逻辑温度光电

转换

无源无源无源

有源有源有源

Z0

HighZ

ACDC

HighDifferential

Voltage

Differential

探头如何影响测量精确度

f要得到适当的测量结果，测量附件必須跟仪表及被测物(DUT)密

切配合。须考虑的项目包括:

–被测量的信号形式(电压、电流、逻辑、其他)；

–信号频率(DC,Hz,kHz,MHz)；

–信号源阻抗(电阻、电容、电感)；

–待测物连接考虑(DUT及仪表)；

–仪表输入阻抗(50ohm,1Mohm,其他)；

–仪表带宽或上升时间。

探头如何影响测量测量系统

f

VCC没有探头及仪表

Gain=-RC

RE

CC

RC

f0=1

探头及仪表2πRCCC

Vf有探头及仪表

INR

PCP

Gain=-(RC||RP)

R

ERE

1

f=

02π(R||R)(C+C)

DUTCPCP

NOTE:VCC为交流接地

探头带宽v.s.系统带宽

f示波器的测量中，探头是必备的，所以探头带宽亦会影响测量

结果，其上升时间影响公式如下：

222

测量值上升时间=(信号上升时间)+(示波器上升时间)+(探头上升时间)

f由于带宽和上升时间成倒数关系故其带宽公式如下：

222

1⎛1⎞⎛1⎞⎛1⎞

=⎜⎟+⎜⎟+⎜⎟

测量带宽⎝信号带宽⎠⎝示波器带宽⎠⎝探头带宽⎠

f由此式也可看出，示波器及探头的带宽越宽，则对测量带宽的

影响越小，也就是說测量带宽越接近信号带宽。

系统带宽v.s.正弦波振幅

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

信号频率/

100

系统带宽3%

}97.5

95

92.5测量到的

示波器带宽为90信号振幅

87.5/

正弦波信号频率

85实际信号

10

的倍时，有82.5振幅

最佳的振幅精确80

度。

要测量到误差77.5

小于3%的正弦波75

72.5

振幅,系统带宽70.7-3dB

最少需为正弦波

信号频率的示波器带宽等于正弦波

3倍。信号频率时，振幅测量

误差会达30%或3dB以

上。

探头输入电容及信号源阻抗

~

tr~2.2(Rs*Cin)

探头CC=100pF~220ns(1X探头)

Rs=1kΩ电容负载inin~

使上升时间tr

tr=3ns10MΩ

CIn增加

Cin=10pF~22ns(10X探头)

VsourceLGroundLead~

100%100%

90%90%

10%10%

0%0%

z1X被测探头的上升时间波形z10X被测探棒的上升时间波形

探头输入阻抗

Input

Impedance

100M

10M10XPassive10XPassive

10pF/10MΩprobeloading

1Mgoesto159Ω

at100MHz

100k

10kActive

1.0pF/1MΩ

1k

100

Zo1XPassive

10

0.15pF/500Ω100pF/1MΩ

1

1001k10k100k1M10M100M1G10G

Frequency

探头接地线的电感效应

f电感效应造成阻抗不匹配，带宽越宽影响越大。

f接地线的长短会影响电感效应的大小，结果会产生脉冲信号的振荡

探头

Rs=50Ω

t=1ns

Vsourcer10MΩ

CIn

LsourceLGroundLead

10pF

0.5-1µH(Ls+Lg)接地线

等值电感

一个10X被测探头Cin=10pF及

6英寸接地线的等效线路左侧等效线路的探头所造成的振荡

典型6英寸接地线探头1

==50-70MHz或tr=7-5ns

所造成的的振荡频率2πLC

探头接地线的电感效应

电源线直接连接BNC探头连接1”接地线

3”低阻抗接地线6”接地线未接接地线

探头传输延迟

测量时序、功率、及延迟时重要的考虑

f典型的探头延迟范围在4ns到8ns。

f不同的探头会造成不同的延迟，需用示波器“deskew(抗歪斜)”

的功能来消除探头的延迟。

f同型探头间的延迟应越小越好，典型的应在200ps之內。

被测探头的低频(LF)补偿

C1

被测电路8-12pF探头示波器

Rsource探头9M500

探头电缆R31M

VR1C2

source8-10pF/ftC3R2

L1.5ns/ft20pF

GroundLead7-50pF

6feet

被测探头的低频(LF)补偿

正确补偿过补偿欠补偿

1ms/div1ms/div1ms/div

1us/div1us/div1us/div

50kHz50kHz50kHz

理想电压探头

f理想的电压探头模型

f理想的探头是没有负载效应,也就是不对测量造成任何影响。

电缆

Rin=∞

Cin=0

f带宽无限大

f输入电容为0

带宽=∞

f输入电阻无限大

f动态范围无限大(DynamicRange)

f1:1衰减

f无延迟

f无相位偏移(PhaseShift)

f机械结构适合测量应用

典型的电压探头规格

型式带宽上升时间输入电容输入电阻

1X无源探头15MHz23ns100pF1MΩ

100MHz-3.5ns-13pF-

10X10MΩ

无源探头500MHz700ps8pF

3GHz-120ps-1pF-

Z0无源500Ω

探头9GHz40ps0.15pF

500MHz-700ps-2pF-10MΩ-

有源探头

4GHz100ps0.4pF100kΩ

1X电压探头–无源

被测电路探头示波器

探头尖

Rsource

探头电缆1MΩ20pF

Vsource8-10pF/ft*

1.5ns/ft

LGroundLead

6feet

优点:缺点:

z1X没有衰减z高反射量

z价格便宜z输入电容太大

z低带宽

*典型50Ω电缆约有30pF/ft的电容量

10X电压探头–无源

C1

被测电路8-12pF探头示波器

Rsource探头尖9MΩ500Ω

探头电缆R31MΩ

VR1C2

source8-10pF/ftC3R2

L1.5ns/ft20pF

GroundLead7-50pF

6feet

:

优点缺点:

z高输入电阻

z输入电容仍太高

z宽动态范围

z跟50Ω系统不兼容

z价格合理

z必须进行补偿

z机械结构坚固

z比1X探头的输入电容低

50Ω10X电压探头–无源

被测电路探头示波器

450Ω

0.5pF

Rsource

V探头电缆50Ω

source探头尖50Ω

LGroundLead

6feet

优点:缺点:

z低输入电容z低输入阻抗

z宽动态范围z必須有50Ω的终端

z加上终端电阻与50Ω及1ΜΩ

系统兼容

z无需补偿

10X电压探头–有源

被测电路探头示波器

6feet

R探头尖

source缓冲放大器探头电缆50Ω

Vsource

R

Lt

GroundLead50Ω

优点:缺点:

z低输入电容z高价位

z高输入电阻z动态范围有限

z加上终端电阻与50Ω及1ΜΩz机械结构较不坚固

系统兼容z须额外电源

z无需补偿

何时使用差分电压探头

f不以接地电为参考点

–浮地(Floating)测量

–平衡(Balanced)信号

f接地点并不是很好的参考点时

–低振幅(<10mV):接地点噪声信号大于信号振幅

–高速度(tr<2ns):接地点离信号点太远

共模及差模

f共模(CommonMode)电压Vcm及共模增益Acm:

–两个输入端对地的电压差为Vcm，经过差模放大器后的增益为Acm

f差模(DifferentialMode)电压Vdm及差模增益Adm:

–两个输入端间的电压差为Vdm，经过差模放大器后的增益为Adm。

+

差模电压

VdmAdmVo

_

共模电压

Vcm

共模抑制比(CMRR)

fCMRR(CommonModeRejectionRatio):

差模增益Adm与共模增益Acm的比值，即：

CMRR=Adm/Acm

或

dB(CMRR)=20log(Adm/Acm)

若Acm趋近于零，则CMRR趋近无限大，代表一理想的差分放大器

所以针对差分探头而言CMRR值越大越好。

CMRR为什么重要

f差分探头的CMRR规格若不好，则共模电压会加入差模电压內，

造成测量上的误差，下面为一实例。

+350伏实例:

“A”

VCM=+/-350V(700VPP)

“B”

VDM=+/-5V(10VPP)

输出CMRR=200:1

CMerror=700/200=3.5VPP

=35%的误差

-350伏

CMRR的规格

4CMRR值越大越好一般在60dB(1000:1)附近

4随着频率增加CMRR会逐渐减小。

CMRR

Freq.

+

A

-

越快的边沿会产生更多的共模电压

电压探头–差分

+

DIFFVout+V

Vout

inAMPVin

-

-

被动式主动式

f无源差分探头必須将两支探头的延迟、衰减、及补偿，做精确的调校。

f假如沒有做精确的调校，CMRR将会严重的下降。

f有源差分探头由于有OP放大器做缓冲，因此不须要做这些调校。

电压探头–无源差分

探头示波器

+

差分放大器

_

典型的CMRR

10,000:1@DC

100:1@20MHz

优点:缺点:

z比无源探头的CMRR高z须要两个不同的输入

z宽动态范围z与50Ω系统不兼容

z机械结构坚固z须补偿

z两支探头可以作较远的分离

电压探头–有源差分

探头示波器

+示波器通道1

_Amplifier(放大器)

VOUT

优点:缺点:

z低输入电容z高价位

z比无源差分探头的CMRR高z有限的动态范围

z与50Ω及1ΜΩ单端(Single-z须額外的电源

ended)系统兼容

z探头尖非常小

电流探头的特性

f探头的交流反应，依据变压器的动作，将电流转为电压。

f直流测试，须在变压器上加一霍尔效应(HallEffect)感应器

f两种型式可用:

–固定核心(FixedCore)–须要打开导体(conductor)来连接。

–分离核心(SplitCore)–允许直接附在导体上(clippingaround)。

f以极低的嵌入阻抗(Lreflected&Rreflected)，使DUT的电容性负

载达到最小。

f提供电子绝缘，允许无参考地点测量。

电流探头–无源

被测电路探头示波器

Vsource

Rsource

电缆1MΩ/

50Ω5050Ω

Lreflected欧姆

18inches50Ω

R

reflected电磁屏蔽

优点:缺点:

z宽的AC带宽z只能测量AC

z价格不贵z固定核心须要打开导体连接

z提供电子绝缘z直流电使核心饱和

z低DUT负载

(Rreflected典型1to2Ω

Lreflected典型5µH)

电流探头–有源

Lreflected探头示波器

高频

放大器

1MΩ/

50Ω50Ω

Rreflected50Ω

低频

放大器

HallBias(

霍尔偏置）

优点:缺点:

zAC及DC测量z较贵

z与50Ω及1ΜΩ单端(Single-ended)z机械结构较不坚固

系统兼容z体积较大

z提供电子绝缘z须額外的电源

z低DUT负载

(Rreflected典型<<1Ω

Lreflected典型<5µH)

结论

f探头一定会给DUT带来负载。

f无源探头一定要进行补偿。

f系统带宽包括示波器、探头及被测信号。

f精确的测量工具的系统带宽最好是待测信号的3到5倍。

f尽可能使用低输入电容及短地线。

f使用正确的连接方式接触测试点。

探头的原理及种类

SeniorApplicationEngineer:周