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探头选择与使用问题详解

2018-08-02

在工程师使用示波器进行测试工作的时候,他们大部分都只留意探头的电压范围和频率范围,对探头其他特性如等效电容、阻抗等特性没有更深刻的理解,这会导致在某些场景下没能选择正确的探头。事实上,探头作为一个连接待测点到示波器的中间环节, 它与待测设备、示波器共同组成了一个测试系统,任意一个环节变化都会引起整个测试系统的变化。

探头按照是否需要供电可分为有源探头(内置放大器,需要外部供电)和无源探头(内部都是无源器件,无需供电),按照测量信号类型可分为电压探头、电流探头、光探头等。下文主要介绍日常测试中经常使用的几种探头以及在不同的场景下对应探头的选择。

10:1无源探头

我们经常使用的是10:1高阻无源探头,它的优点是高输入阻抗,动态范围宽(一般最大可测几百伏)以及价格便宜,缺点是输入电容大且需要补偿。下图为10:1高阻无源探头原理图:

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图1 10:1高阻无源探头原理

其中,C可调可以认为是线缆的电容、示波器的电容和可调电容的并联等效值。我们需要调节这个电容令R探头*C探头=R示波器*C可调,对探头进行补偿。此外,示波器内也存在寄生电容,同一个示波器的不同通道或者不同示波器的寄生电容都不一样,所以同一个探头接到另外一个通道或者另外一个示波器可能需要再次补偿。

需要注意的是:

1)      由于负载电容效应的存在,高阻无源探头的高频特性表现不是很好。因此这种探头一般适用于低频的情况,根据图1,示波器也应该选择1MΩ的输入阻抗。(部分示波器可选1MΩ和50Ω的输入阻抗。需要测高频时示波器一般选择50Ω的输入阻抗。)

2)      在10:1探头中经过分压之后示波器收到的信号只有原信号的1/10,所以示波器需要经过放大之后再显示,这种情况会把示波器本底噪声也放大。探头的1X则不同,在这个档位信号不经衰减直接进入示波器,所以示波器本底噪声也不会放大,故1X档位适用于测小信号或者电源纹波

有源探头

有源探头有输入电容低、带宽高、输入电阻高和无需补偿等优点,缺点是成本较高、需要供电和动态范围低。

有源探头可以分为单端有源探头、差分探头(有高带宽和高压之分)和电流探头等类型。单端有源探头和差分探头的区别是单端有源探头测试的是测试点对地的参考电平,但是差分探头可以直接测两个测试点的相对电位差,不需要和“地“有联系。单端有源探头属于一种特殊的差分探头,但是它不能代替差分探头的工作,例如在进行浮地测量或者要求共模抑制能力的测试时就需要使用差分探头。

单端有源探头

单端有源探头内部有一个阻抗比较高的高带宽的放大器,需要外部供电,所以成为有源探头。它适用于需要高输入阻抗、高带宽的场景,一般能够提供1MΩ的输入阻抗和1G以上的带宽(此时需要示波器选择50Ω的输入阻抗进行匹配,但探头本身的输入阻抗还是高阻,工作原理如下图2所示)。有源探头的放大器比较接近待测电路,因此环路较小,可以减小一系列的寄生参数,带宽可以做的更高,并且可以驱动较长的线缆。但是由于动态范围不高,很容易被高压破坏,所以使用时应该注意待测电路的电压范围防止破坏价格比较高的有源探头。

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图2 有源探头工作原理

差分有源探头

差分有源探头的前端放大器是差分放大器,共模抑制比的能力比较强,有高带宽和高电压的差分有源探头的分类。

高带宽的差分有源探头主要用于测试高速信号。这种探头带宽比一般的单端有源探头更高,一般高速的数字信号测试都会使用差分探头。

此外,对一些带宽需求不高,但是对动态范围反而有一定要求的场景,如浮地测量(浮地测量具体内容请查阅前期相关文章),CAN总线的测量等,这时需要使用高压差分探头。

电流探头

有时候我们在测试过程中还需要测试电流,测试电流有专门的电流探头。示波器基本上就是测量电压变化的,所以电流探头实质上是把电流参数按照一定的转化关系转化为电压,然后示波器再根据该电压值得到对应电流大小。电流探头主要是根据霍尔效应和电磁感应原理将电流信号转化为电压信号。

1)霍尔效应

主要通过电流通过路径所产生的磁场转化为电压信号测量。电压探头中有一个感应环,测试时把这个环套在供电线上,电流探头就能检测出供电线上电流产生的磁场,然后再转化为电压信号。这种探头的好处是可以检测直流和交流,但是缺点是小电流测量能力有限。我们可以通过把待测线缆在感应环里多绕几圈来放大电流产生的磁场,放大倍数等于绕的圈数。

2)电磁感应

利用电磁感应原理测量电流的电流探头灵敏度高,带宽也比较高,但是根据电磁感应原理,无法测量直流电流和低频电流。

探头不同条件对测量的影响

一个理想的探头模型应该具有输入阻抗无限大、无限带宽、零输入电容、动态范围无限大、零延时等特点。但是现实中没有这种理想的探头。由于各种寄生参数的存在,不同的测试情况导致的测量结果也可能不一样。

1)输入电容的影响

我们可以通过一个最简单的PP510无源探头来看一下不同输入电容对测量的影响,图3是该无源探头的数据:

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图3 PP510无源探头的参数

从图3可以看出在1X和10X的档位的时候输入电容分别是85pF~120pF和18pF~22pF,10X档位的时候的输入电容远小于1X档位。我们可以在SDS1104X-E示波器上的通道1分别测试这两个档位测量同一个信号的上升时间的不同表现(注意:根据Trise*BW=0.35可以知道100M带宽对应的上升时间是3.5ns,PP510无源探头和100M示波器组成的测量系统的上升时间为4.94,即测量系统的带宽为70.85MHz,所以探头的带宽越高,系统越接近示波器的带宽)。无源探头直接使用配套的钩子和接地的小夹子,测量鼎阳STB-3实验板上的一个100KHz方波的上升时间,结果如图4和图5所示:

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图4 PP510使用1X档位时示波器测量结果

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图5 PP510使用10X档位时示波器测量结果

从上图结果可以明显看到1X档位波形失真比10X档位波形失真更为严重,而且上升时间比10X档位多了200%。由此我们可以感受到输入电容对测试结果的影响大小。

此外,改变探头的衰减比也会对小信号的测量造成影响,在测量小信号的时候使用10X档位会增大示波器的本底噪声,故要根据实际情况来调节探头的测量条件。

2)接线方式的影响

在上述测量中我们改变接线方式,把无源探头的钩子拿掉,接地夹子换成接地弹簧,档位都设置为10X,测量同一个信号的上升时间。测量结果如图6所示:

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图6 PP510使用10X档位,把接地夹子换成接地弹簧后测量结果

对比图5和图6我们可以发现改变接线方式,使用探针和接地弹簧测量的上升时间比之前减少了6.2%。这时因为探头与待测器件的引线长度减少了,其中的寄生参数也对应减小,相对地提高了测量系统的带宽。所以接地的线长度也会对测量结果造成影响,要减少这方面的影响可以缩短接地线缆的距离。

以上就是对探头基础知识的介绍以及几种不同探头在不同场合的具体应用情况。在使用探头测试待测点时,探头并不是完全能把信号完整地传输到示波器内,需要考虑探头对待测信号以及示波器的影响。根据实际的电路特性选择合适的探头以及适合的测试环境,才能得到正确的测量结果,否则有可能得到与实际情况截然不同的结果从而被错误的测量结果误导。

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鼎阳科技(SIGLENT)是一家专注于通用电子测试测量仪器及相关解决方案的公司。

从2005推出第一款数字示波器产品至今,10余年来鼎阳科技一直是全球发展速度最快的数字示波器制造商。历经多年发展,鼎阳产品已扩展到数字示波器、手持示波表、函数/任意波形发生器、频谱分析仪、台式万用表、直流电源等通用测试测量仪器产品。2007年,鼎阳与高端示波器领导者美国力科建立了全球战略合作伙伴关系。2011年,鼎阳发展成为中国销量领先的数字示波器制造商。2014年,鼎阳发布了中国首款智能示波器SDS3000系列,引领“人手一台”型实验室使用示波器由功能示波器向智能示波器过渡的趋势。2017年,鼎阳发布打破行业垄断,多项参数突破国内技术瓶颈的SDG6000X系列脉冲/任意波形发生器,其输出带宽高达500MHz。目前,鼎阳已经在美国克利夫兰和德国汉堡成立分公司,产品远销全球70多个国家,SIGLENT正逐步成为全球知名的测试测量仪器品牌。

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