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如何正確選擇和使用探頭

工程師鄧生 ? 來源:ZLG致遠電子 ? 作者:ZLG致遠電子 ? 2020-01-26 17:38 ? 次閱讀

電子產品日益復雜,市場對示波器的帶寬和準確性提出更高要求。這不是購買一臺高檔示波器就能解決的問題,還需搭配適合的探頭和正確的測試方法。本文從探頭的原理出發,講述如何正確選擇和使用探頭。

認識示波器探頭

被測信號不可能直接接入到示波器中,這就需要一個設備為測試點與示波器之間建立電氣連接。根據需求不同,這個設備可以是一個導線,也可能是較為復雜的電路。這個負責勾連測試點與示波器的設備就是示波器探頭。所以示波器探頭至關重要,沒有探頭示波器將無法進行測量。

如何正確選擇和使用探頭

圖1

上圖為示波器探頭測量時的示意圖,從上圖可知,示波器一般具有三個典型的部分,探頭頭部、探頭電纜和探頭補償設備。其中探頭頭部的作用是與測試點直接接觸,從而與被測系統產生電氣連接,最終獲取到需要測量的信號。探頭電纜的作用則是使示波器和探頭頭部彼此不互相干涉,可以做到在不移動示波器的前提下,隨意移動探頭頭部,使之可以方便的與測試點接觸。最后的探頭補償設備,主要是為了盡量消除探頭電纜帶來的負面影響,從一定程度上保持探頭的測量準確性。

由探頭的基本結構可知,探頭是不可能被看為一個透明的設備,一定會有很多性能上的限制,比如探頭電纜和補償設備決定了探頭的帶寬,又比如探頭中的器件尺寸也決定了探頭的輸入電壓。所以探頭會有一些基本的參數。在此歸納一下:

1、衰減系數

衰減系數,是所有探頭都會有的一個參數,指的是探頭使信號幅度下降的程度。某些探頭可能會有可選擇的衰減系數。典型的衰減系數有1×、10×和100×。1×探頭表示不會對信號進行衰減。10×則表示信號會被衰減10倍再輸入示波器。1×、10×這些名稱的由來,是因為之前的示波器沒有自動識別探頭衰減系數和自動調節的能力,所以需要通過1×、10×這些名稱來提醒測試者記得要把測量出來的結果乘以相應的倍數。

2、帶寬

帶寬也同樣是一個探頭必備的參數,指的是探頭導致信號衰減-3dB情況下的頻率點。如下圖所示:

圖2

如100MHz探頭就有100MHz帶寬,500MHz探頭就有500MHz帶寬。一些探頭,還會有一個低頻的帶寬頻率,比如一些AC探頭,不能傳遞DC信號,它在低頻段會有一個帶寬參數。值得一提的是,帶寬指的是-3dB的頻譜,此時信號被測量出的幅度只有真實信號的70.7%,所以測量者需要考慮對這個結果是否可以被接受,否則就需要使用更高帶寬的探頭。

3、上升時間

帶寬指的是對單一正弦波的測量,如果需要測量的是方波,則需要考慮探頭的上升時間,該參數是探頭在階躍信號激勵的輸入下,輸出信號從10%上升至90%所需的時間。這個參數實際上是用來進行評估誤差范圍的。比如被測試方波信號的上升沿的上升時間為10ns,則經過一個上升時間為3.5ns的探頭,最終輸出的上升時間就大致為:

上升時間退化了5.9%。

如果此時改用0.7ns的探頭,則輸出的上升時間為:

上升時間僅僅退化了0.24%。所以測量時,就需要盡量選擇上升時間遠小于被測信號上升時間的探頭,一般需要3~5倍。

4、最大輸入電壓

最大輸入電壓是指探頭可以輸入的最大額定值的電壓。最大輸入電壓取決于探頭機身和探頭內部器件的額定擊穿電壓。一般該項會通過一些安規規范來給出,而不是給出單一的電壓,比如一般10×的無源探頭的最大輸入電壓為300VRMS CAT Ⅱ。其中CAT Ⅱ 指的是一類測試場景,300VRMS CAT Ⅱ指的是在這類測試場景下可以測量的最大電壓。而且這個電壓并不是一個恒定值。而是會隨著頻率的變化而變化。一般探頭會給出自己的電壓額定曲線,如下圖所示:

圖3

5、輸入電容

輸入電容就是從探頭的探頭頭部端測量出的電容。對于有源探頭,該電容包括探頭探針的寄生電容和探頭內部電路中的電容。對于一些無源探頭,還要包括探頭電纜的寄生電容和示波器本身的電容。該電容值越小,一般說明探頭可測量的頻率越高。

6、輸入電阻

探頭的輸入電阻是探頭的探頭頭部端測量出的電阻,該值是在DC情況下測量出來的。對于無源探頭來說,衰減比例越大,探頭的輸入電阻越高。

7、示波器補償范圍

多數無源探頭都是一種通用的設備,而在不同示波器之間,甚至在同一臺示波器不同通道之間都會有所差異。探頭為了兼容這些差異,就會自帶一個補償網絡,用來補償不同示波器間的差異。如果補償不足或者補償過度,就會導致測量結果出現錯誤。而這個補償網絡是一定會有一個能夠調整的范圍的,這個范圍就是示波器補償范圍。一般的無源探頭的示波器補償范圍為10~35pF。

8、電纜長度

每個探頭都必須有一段探頭電纜,這是為了更加方便的進行測量。而這段電纜會造成一定的信號傳播延時。例如,1m左右的探頭電纜,大概會有5ns的延時。對于10MHz的信號,這會造成大概20°左右的延時。電纜越長,會導致相位信號延遲越長。而這個延時一般情況下不會對測量造成影響,因為在一定帶寬范圍內,這個延時并不會跟隨信號頻率變化而變化,所以不會造成群延時的失真。只有在兩個以上通道一起測量時,傳輸延時才會產生影響,特別是當電壓探頭與電流探頭一起進行功率測量時,不同探頭之間的延時就會造成很大的影響。所以測量之前需要根據電纜長度來推算大致的延時。如果延時過大,則需要使用示波器內的延時校準功能。

常見探頭種類

常見探頭分類如下圖所示:

圖4 示波器探頭分類

其中無源探頭常見的有1×、10×、100×三種規格,一般情況下,1×探頭多為低帶寬探頭,適用于測量低頻低電壓的信號,100×探頭耐壓值一般較高,適用于一些高壓測量情景,而10×探頭的帶寬一般都比較高,適用于較高速信號的測量。

有源探頭中,高速差分探頭適用于高速信號的測量,其帶寬很高,而且探頭負載效益很小,但是一般都價格昂貴。高壓差分探頭一般適用于對高壓場合的測試,與無源探頭相比,不僅輸入電壓更高,一般都在1000V以上,而且由于其兩根測量線對地阻抗都非常高,使其可以直接進行非接地測量,比如在測量市電時,無源探頭的地線必須接到市電的地線上,只能測量L或者N與地線之間的電壓,而高壓差分探頭卻可以進行任意兩線間的測量。電流探頭用于對電流進行測量,有些電流探頭只能測量交流,有些也可以進行直流測量。

探頭的使用注意事項

在探頭的使用上,還需要考慮一些問題:

1、安全

使用探頭進行測量時,最重要的就是安全問題。比如使用無源探頭時,探頭的地線與示波器的地是連接在一起的,當示波器安全接地的時候,探頭是安全的。但是當示波器沒有安全接地時,探頭的地線就會存在一定的電壓從而給使用者帶來危險。具體情況如圖5所示:

圖5

圖6 示波器接地

由于Y電容的原因,導致原本的接地點電壓就不在是0V,而是L與N之間電壓的一半也就是110V電壓,這個電壓會對人體進行傷害。所以示波器的測量過程中,一定要保證接地良好,或者采用隔離變壓器進行完全的安全隔離,否則有可能會導致使用者觸電。

而且此時如果探頭的地線是接到了一個比較高的電壓上,比如說市電的火線上時,就會導致整個示波器外殼都帶有220V高壓,這時人再觸碰示波器時就會發生直接觸電,這種情況非常危險,相當于直接將手插入市電插排。

圖7

2、連接順序

探頭通過示波器電源線的地線間接接地,而被測系統可能是一個懸浮的系統,為避免危險,地線必須先連接到地上,將示波器與被測系統共地,然后才能將探頭探針點在測試點上。而當斷開探頭時,也要先斷開探針,然后再斷開地線。

3、阻抗

使用探頭時,需要考慮與示波器的匹配問題。常見的無源探頭,一般需要示波器的阻抗檔位是1MΩ阻抗。而一些有源探頭則是需要50Ω阻抗。使用探頭前,要看說明書上對應阻抗的說明,來選擇相應的示波器檔位與之匹配。

4、帶寬

當使用探頭進行測量時,整個系統的帶寬就是由探頭帶寬和示波器帶寬兩部分組成的,其中任何一個帶寬不足,都會導致最終測量結果不能達到要求。比如選用一個100M的探頭配套一個500M的示波器,那么帶寬最多也就只有100M左右,這樣就無法發揮500M示波器的帶寬優勢。所以合理選擇示波器與探頭,才能讓測試帶寬達到要求。

5、電壓

選擇探頭時,還需要考慮測試信號的電壓,一方面要保證測試電壓不要高于探頭的最大輸入電壓,另一方面也要保證探頭輸出的信號在示波器的可測量范圍內。這需要測試者根據測試信號的電壓來選擇探頭。比如要測量600Vpp的電壓信號,就需要選擇耐壓值超過600Vpp的探頭,而一般示波器最大測量電壓是80V,所以需要選擇一個衰減比大于8的探頭。而如果需要測量的信號是10mVpp的電壓信號,則就需要采用無衰減的探頭進行測量。

6、地線的影響

傳統的使用習慣上,示波器的接地方式就是那根長長的接地夾線。這種接地方式,確實是一種簡單方便的接地方式,但是卻并不是一種嚴謹的、準確的接地方式。

圖8 接地夾線示意圖

由于地夾線比較長,其會形成一個寄生電感Lgnd,隨著夾線的增長,這個電感也會增大,而這個回路電感會和示波器探頭的輸入電容Cin產生諧振。這就導致示波器的幅頻特性變得不平坦,導致測量不準確。下圖為使用接地夾時的等效電路。

圖9 接地夾線等效電路圖

下圖為用該等效電路仿真出的頻譜特性曲線:

圖10 頻譜特性曲線

可以看出,在60MHz以上的頻率,幅度已經產生了超過3dB的過沖,而到達100M左右時,過沖到最大幅度。所以如果采用地夾,測量超過60MHz的信號就會產生比較大的失真。正確的方式應該是采用接地彈簧。接地彈簧具有非常小的電感,可以大大提升探頭的帶寬。

圖11 接地彈簧示意圖

而且使用彈簧,也會減小接地環路面積,大大較小空間噪聲的輻射干擾。

7、補償電容的調節

對于10×無源探頭,其等效模型如下圖所示。

圖12 探頭等效電路

其中C1和Cline1是示波器和通訊電纜的寄生電容,是無法去除的。由于R2的原因,勢必會產生一個低通濾波器,這就導致探頭無法通過高頻信號。為了提高探頭帶寬,探頭中會加入C2,來進行補償。

計算可得該系統的零點:

系統極點為:

只有使得這兩個點重合,才能讓探頭帶寬得以平坦。而示波器的輸入電容C1和通訊電纜的電容Cline1都有一定的變化范圍,所以必須加入一個可調電容Cadj來進行匹配。實際使用時,需要通過這個可調電容來將探頭帶寬調節平坦。具體方式是將探頭鏈接到示波器的校準片上,然后通過調節探頭補償裝置上的調節器,將方波調節平坦。下圖為調節圖例。當屏幕上的波形變為方波時,表示探頭調節成功。

圖13 探頭補償示意圖

8、探頭的負載效應

前文提到過,探頭都是具有輸入電容和輸入電阻的,這就導致其并不能當成一個阻抗無窮大的設備,其測量時的等效模型如下圖所示。

圖14

根據電路知識可知,對于直流信號而言,與未接入探頭前相比,Vout會有所下降,因為現在的負載不再是RL,而是RL與Rin并聯后的電阻,這勢必小于原來的電阻RL。而對于交流信號而言,還需要在并聯上一個電容Cin產生的阻抗。而這個阻抗會隨著頻率的增加而逐漸減小。這就是有些情況下探頭點上去,電路無法正常工作的原因。在使用探頭測量時,需要評估探頭的負載效應對被測試系統產生的影響。比如一般的1×探頭,輸入電容高達150pF左右,如果接入到一個50Ω系統中,會產生一個40M左右的低通濾波器,如果被測信號接近或者高于這個頻率時,就會導致被測系統工作異常。進行高頻測量時,探頭的輸入電容越小,對系統產生的影響也就越小。

總結

探頭在示波器測量系統中,至關重要。ZDS4000示波器具有很優越的各項性能,同時標配了性能優異的無源探頭,但是探頭的使用上存在著很多需要注意的事項,為了能正確的發揮示波器的性能,使用者需要了解這些,才能即安全又準確的得到測量結果。
責任編輯:wv

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