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示波器探頭里的大學問

發表時間:2016/9/26  來源:互聯網,RF技術社區  瀏覽次數:6620  
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對于示波器來說,其輸入接口一般是BNC或者3.5mm等同軸接口。如果被測件的輸出使用的是類似的同軸接口連接器,可以通過電纜直接連接示波器;而如果要測試的是PCB板上的信號,或者被測信號使用的不是同軸的連接器,就需要用到相應的示波器探頭。

任何使用過示波器的人都會接觸過探頭,通常我們說的示波器是用來測電壓信號的(也有測光或電流的,都是先通過相應的傳感器轉成電壓量測量),探頭的主要作用是把被測的電壓信號從測量點引到示波器進行測量。下圖是各種各樣的示波器探頭。

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大部分人會比較關注示波器本身的使用,卻忽略了探頭的選擇。實際上探頭是介于被測信號和示波器之間的中間環節,如果信號在探頭處就已經失真了,那么示波器做的再好也沒有用。下圖是一個例子,通常的500MHz的無源探頭本身的上升時間大約為700ps,通過這個探頭來測試一個530ps上升時間的信號,即使不考慮示波器帶寬的影響,經過探頭后信號的上升時間已經變成了860ps。因此,探頭對于測量的影響是不能忽略不計的。

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對于高斯頻響的示波器和探頭來說,探頭和示波器組成的測量系統的帶寬通??梢杂靡韵鹿接嬎悖?/span>

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而對于平坦響應的的示波器和探頭來說,其組成的測量系統的帶寬取決于帶寬最小的那部分。由此可見,探頭以及連接方式對于測試系統的影響是很大的。

實際上探頭的設計要比示波器難得多,因為示波器內部可以做很好的屏蔽,也不需要頻繁拆卸,而探頭除了要滿足探測的方便性的要求以外,還要保證至少和示波器一樣的帶寬,難度要大得多。我們回顧一下示波器的發展歷史,很多當時高帶寬的實時示波器剛出現時是沒有相應帶寬的探頭的,通常要遲一段時間相應帶寬的探頭才會推出。

要選擇合適的探頭,首要的一點是要了解探頭對測試的影響,這其中包括2部分的含義:探頭對被測電路的影響以及探頭本身造成的信號失真。理想的探頭應該是對被測電路沒有任何影響,同時對信號沒有任何失真的。遺憾的是,沒有真正的探頭能同時滿足這兩個條件,通常都需要在這兩個參數間做一些折衷。

為了考量探頭對測量的影響,我們通??梢园烟筋^的輸入電路簡單等效為如下圖所示的R、L、C的模型(實際上的模型比這個要負責得多),測試時需要把這個模型和我們的被測電路放在一起分析。

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首先,探頭本身有輸入電阻。和萬用表測電壓的原理一樣,為了盡可能減少對被測電路的影響,要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。但由于Rprobe不可能做到無窮大,所以就會和被測電路產生分壓,造成實際測到的電壓可能不是探頭真實的電壓,這種情況在一些電源或放大器電路的測試中會經常遇到。為了避免探頭電阻負載造成的影響,一般要求探頭的輸入電阻要大于源阻抗以及負載阻抗至少10倍以上。大部分探頭的輸入阻抗在幾十k歐姆到幾十M歐姆間。

其次,探頭本身有輸入電容。這個電容不是刻意做進去的,而是探頭的寄生電容。這個寄生電容也是影響探頭帶寬的最重要因素,因為這個電容會衰減高頻成分,把信號的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下探頭的寄生電容Cprobe應該為0,但是實際做不到。一般無源探頭的輸入電容在10pf至幾百pf間,帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pf至幾pf間。由于寄生的電容的存在,探頭的輸入阻抗(注意,不是直流輸入電阻)隨著頻率會下降,從而影響探頭的帶寬。

下圖是兩種常用探頭的輸入阻抗隨頻率變化的曲線,兩種探頭的輸入阻抗在直流情況下都是高阻的:最普遍使用的500MHz帶寬的高阻無源探頭在直流情況下可以有10MΩ的輸入阻抗,另一款2GHz帶寬的單端有源探頭的輸入阻抗在直流情況下是1MΩ。但是由于左邊的高阻無源探頭有更大的寄生電容,因此隨著頻率的增加,其輸入阻抗隨頻率增加下降得更快,當頻率到70MHz時,其輸入阻抗已經遠遠小于寄生電容更小的有源探頭。因此,輸入寄生電容對于探頭帶寬的影響是非常大的。

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再其次,探頭輸入的信號還會受到寄生電感的影響。探頭的輸入電阻和電容都比較好理解,探頭輸入端的電感卻經常被忽視,尤其是在高頻測量的時候。電感來自于哪里呢?我們知道有導線就會有電感,探頭和被測電路間一定會有一段導線連接,同時信號的回流還要經過探頭的地線。示波器探頭常用的地線通常1mm探頭的長度會有大約1nH的電感,信號和地線越長,電感值越大。如下圖所示,探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路,當電感值太大時,諧振頻率很低,很容易在輸入信號的激勵下產生高頻諧振,造成信號的失真。所以高頻測試時需要嚴格控制信號和地線的長度,否則很容易產生振鈴。

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在了解探頭的結構之前,我們還需要先了解一下示波器輸入接口的結構,因為這里是連接探頭的地方,示波器的輸入接口電路和探頭共同組成了我們的探測系統。

大部分的示波器輸入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式(有些高帶寬的示波器會采用一些特殊設計的接口,比如2.92mm或1.85mm的同軸接口)。如下圖所示,很多通用的示波器在輸入端有1M歐姆或50歐姆可切換的匹配電阻。示波器的探頭種類很多,但是示波器的的匹配只有1M歐姆或50歐姆兩種選擇,不同種類的探頭需要不同的匹配電阻形式。

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從電壓測量的角度來說,為了對被測電路影響小,示波器可以采用1M歐姆的高輸入阻抗,但是由于高阻抗電路的帶寬對寄生電容的影響很敏感。所以1M歐姆的輸入阻抗廣泛應用與500M帶寬以下的測量。對于更高頻率的測量,通常采用50歐姆的傳輸線,所以示波器的50歐姆匹配主要用于高頻測量。傳統上來說,市面上100MHz帶寬以下的示波器大部分只有1M歐姆輸入,因為不會用于高頻測量;100MHz~幾GHz帶寬的示波器大部分有1M歐姆和50歐姆的切換選擇,同時兼顧高低頻測量;幾GHz或更高帶寬的示波器由于主要用于高頻測量,所以大部分只有50歐姆輸入。

廣義的意義上說,測試電纜也屬于一種探頭,比如BNC或SMA電纜,而且這種探頭既便宜性能又高(前提是電纜的質量不要太差),但是使用測試電纜連接時需要在被測電路上也有BNC或SMA的接口,所以應用場合有限,主要用于射頻和微波信號測試。對于數字或通用信號的測試,很多時候還是需要專門的探頭。下圖是示波器里常用的一些探頭的分類。

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示波器的探頭按是否需要供電可以分為無源探頭和有源探頭,按測量的信號類型可以分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。所謂的無源探頭,是指整個探頭都由無源器件構成,包括電阻、電容、電纜等;而有源探頭內部一般有放大器,放大器是需要供電的,所以叫有源探頭。

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