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示波器原理(一)

更新時間:2021-11-12 點(diǎn)擊次數(shù):1582

示波器因?yàn)橛刑筋^的存在而擴(kuò)展了示波器的應(yīng)用范圍,使得示波器可以在線測試和分析被測電子電路,如下圖:



示波器探頭的作用.jpg
圖1示波器探頭的作用

探頭的選擇和使用需要考慮如下兩個方面:
其一:因?yàn)樘筋^有負(fù)載效應(yīng),探頭會直接影響被測信號和被測電路;
其二:探頭是整個示波器測量系統(tǒng)的一部分,會直接影響儀器的信號保真度和測試結(jié)果

一、探頭的負(fù)載效應(yīng)

當(dāng)探頭探測到被測電路后,探頭成為了被測電路的一部分。
探頭的負(fù)載效應(yīng)包括下面3部分:
1. 阻性負(fù)載效應(yīng);
2. 容性負(fù)載效應(yīng);
3. 感性負(fù)載效應(yīng)。
探頭的負(fù)載效應(yīng).jpg
圖2探頭的負(fù)載效應(yīng)

電阻負(fù)載相當(dāng)于一個并聯(lián)在被測電路上的電阻,它對被測信號有分壓的作用,并影響被測信號的幅度和直流偏置。有時,當(dāng)增加探頭時,故障電路可能會變得正常。通常建議探頭的電阻R大于被測源電阻的10倍,以保持振幅誤差小于10%。

探頭的阻性負(fù)載.jpg
圖3探頭的阻性負(fù)載

電容性負(fù)載相當(dāng)于在被測電路上并聯(lián)的電容,對被測信號有濾波作用,影響被測信號的上升和下降時間,影響傳輸延時、傳輸互連信道的帶寬受到影響。有時,當(dāng)增加探頭時,故障電路變得正常,并且這種電容效應(yīng)起著關(guān)鍵作用。通常建議使用具有盡可能小的電容負(fù)載的探頭,以減少對測量信號邊緣的影響。
探頭的容性負(fù)載.jpg
圖4探頭的容性負(fù)載

電感性負(fù)載來自探頭接地線的電感效應(yīng),它會與電容性負(fù)載和電阻性負(fù)載共振,從而使顯示信號振鈴。如果顯示的信號上有明顯的振鈴,有必要檢查它是被測信號的真實(shí)特征還是由接地線引起的振鈴。檢查和確認(rèn)的方法是盡可能使用最短的接地線。通常建議使用盡可能短的地線,并且一般地線電感 = 1L H/mm。
探頭的感性負(fù)載.jpg
圖5探頭的感性負(fù)載

二、探頭的類型

示波器探頭大的方面可以分為:
無源探頭和有源探頭兩大類。無源有源顧名思義就是需不需要給探頭供電。

無源探頭細(xì)分如下:
1. 低阻電阻分壓探頭;
2. 帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭(常用的無源探頭);
3. 高壓探頭
有源探頭細(xì)分如下:
1. 單端有源探頭;
2. 差分探頭;
3. 電流探頭

常用的高阻無源探頭和有源探頭簡單對比如下:






表1有源探頭和無源探頭對比
有源探頭和無源探頭對比.jpg

低阻分壓探頭具有較低的電容負(fù)載 (<1pf) 、較高的帶寬 (>1.5GHz) 、較低的價格,但電阻負(fù)載非常大,一般只有500歐姆或1歐姆,因此,它只適用于測試低源阻抗的電路或只關(guān)注時間參數(shù)測試的電路。
低輸入電阻探頭結(jié)構(gòu).jpg
圖6低輸入電阻探頭結(jié)構(gòu)

帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭是常用的無源探頭,一般示波器的標(biāo)準(zhǔn)探頭就是這種探頭。帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭具有高輸入電阻 (一般在1Mohm以上) 和可調(diào)補(bǔ)償電容,以匹配示波器的輸入并具有高動態(tài)范圍,它可以測試相對較大的信號 (幾十幅以上),而且價格也很低。然而,不知道輸入電容太大 (通常在10pf以上) 和帶寬低 (通常在500MHz以內(nèi))。
常用的無源探頭結(jié)構(gòu).jpg
圖7常用的無源探頭結(jié)構(gòu)

帶補(bǔ)償?shù)母唠娮锜o源探頭具有補(bǔ)償電容器。連接示波器時,通常需要調(diào)整電容值 (調(diào)整時需要使用探頭提供的小螺絲刀進(jìn)行調(diào)整,將探頭連接到示波器補(bǔ)償輸出測試位置) 以匹配示波器輸入電容以消除低頻或高頻增益。在下圖的左側(cè),有高頻或低頻增益。調(diào)整后的補(bǔ)償信號顯示波形如下圖右側(cè)所示。
無源探頭的補(bǔ)償.jpg
圖8無源探頭的補(bǔ)償

高壓探頭是帶補(bǔ)償?shù)臒o源探頭的基礎(chǔ)上,增大輸入電阻,使得衰減加大(如:100:1或1000:1等)。因?yàn)樾枰褂媚透邏旱脑骷?,所以高壓探頭一般物理尺寸較大。
高壓探頭的結(jié)構(gòu).jpg
圖9高壓探頭的結(jié)構(gòu)

三、有源探頭

讓我們看一下使用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測試了1ns上升時間步長信號的影響。脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生1ns步進(jìn)信號。經(jīng)過測試夾具,SMA電纜直接連接到示波器1.5GHz帶寬,這樣波形 (藍(lán)色信號下圖) 將顯示在示波器上并作為參考波形存儲。然后,使用探針點(diǎn)測量測試夾具檢測被測信號。由于探針負(fù)載的影響,通過SMA直接連接的波形變?yōu)辄S色。探測通道顯示綠色波形。然后,分別測試上升時間,可以看到無源探頭和有源探頭對高速信號的影響。

無源探頭和有源探頭對被測信號和測量結(jié)果的影響.jpg
圖10無源探頭和有源探頭對被測信號和測量結(jié)果的影響

具體測試結(jié)果如下:

使用1165A 600MHz無源探頭,使用鱷魚嘴接地線: 受探頭負(fù)載影響,上升時間變?yōu)? 1.9ns; 探頭通道顯示的波形振鈴,上升時間為: 1.85ns;

使用1156A 1.5GHz有源探頭,使用5cm接地線: 受探頭負(fù)載影響較小,上升時間靜止: 1ns; 探頭通道顯示的波形與原始信號一致,上升時間靜止: 1ns。

單端有源探頭結(jié)構(gòu)圖如下,利用放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗相對較高 (一般大于100Kohm),而輸入電容相對較小 (一般小于1pf)。它通過探頭放大器連接到示波器。示波器必須使用50歐姆的輸入阻抗。有源探頭帶寬寬 (現(xiàn)在可以達(dá)到30GHz),而負(fù)載小,但價格相對較高 (通常,每個探頭達(dá)到相同帶寬示波器價格的10% 左右),動態(tài)范圍小 (注意這一點(diǎn),因?yàn)槌^探頭動態(tài)范圍的信號無法正確測試。通常,動態(tài)范圍約為5V),這相對脆弱。使用時要小心。
有源探頭結(jié)構(gòu).jpg
圖11有源探頭結(jié)構(gòu)

差分探頭結(jié)構(gòu)圖如下,利用差分放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗相對較高 (一般在50kohm以上),而輸入電容相對較小 (一般小于1pf)。它通過差分探頭放大器連接到示波器,示波器必須使用50歐姆的輸入阻抗。差分探頭具有非常寬的帶寬 (現(xiàn)在高達(dá)30GHz) 、非常小的負(fù)載和高共模抑制比,然而,價格相對較高 (通常,每個探頭達(dá)到相同帶寬示波器價格的10% 左右),動態(tài)范圍也很小(這需要注意,因?yàn)槌^探頭動態(tài)范圍的信號無法正確測試。通常,動態(tài)范圍約為3V),這相對脆弱。使用時要小心。

差分探頭適用于測試高速差分信號 (測試時不需要接地) 、放大器測試、電源測試、虛擬接地測試等應(yīng)用。


差分探頭結(jié)構(gòu).jpg
圖12差分探頭結(jié)構(gòu)

電流探頭也是有源探頭,利用霍爾傳感器和感應(yīng)線圈測量直流和交流電流。電流探頭將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,示波器收集電壓信號并將其顯示為電流信號。電流探頭可以測試從幾十毫安到幾百安培的電流,并且使用時需要抽出電流線 (電流探頭是將導(dǎo)線夾在中間進(jìn)行測試,這不會影響被測試電路)。

電流探頭在測試直流和低頻交流時的工作原理:

當(dāng)電流鉗閉合且中心封閉有電流的導(dǎo)體時,將出現(xiàn)磁場作為響應(yīng)。這些磁場使霍爾傳感器內(nèi)的電子偏轉(zhuǎn),并在霍爾傳感器的輸出端產(chǎn)生電動勢。電流探頭根據(jù)這種電動勢,產(chǎn)生反向 (補(bǔ)償) 電流并送至電流探頭的線圈,使電流中的磁場夾緊為零,以防止飽和。電流探頭根據(jù)逆流測量實(shí)際電流值。用這種方法,可以非常線性地測量大電流,包括交流/直流混合電流。
電流探頭測試直流和低頻時的工作原理.jpg
圖13電流探頭測試直流和低頻時的工作原理

電流探頭在測試高頻時的工作原理:

隨著測量電流頻率的增加,霍爾效應(yīng)逐漸減弱。當(dāng)測量沒有直流分量的高頻交流電流時,它們中的大多數(shù)通過磁場的強(qiáng)度直接感應(yīng)到電流探頭線圈。此時,探頭就像一個電流互感器。電流探頭直接測量感應(yīng)電流而不是補(bǔ)償電流。功率放大器的輸出為線圈提供低阻抗接地回路。
電流探頭測試高頻時的工作原理.jpg
圖14電流探頭測試高頻時的工作原理

電流探頭在交叉區(qū)域時的工作原理:

當(dāng)電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區(qū)域時,部分測量是通過霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的,另一部分是通過線圈實(shí)現(xiàn)的。

電流探頭交叉區(qū)域的工作原理.jpg
圖15電流探頭交叉區(qū)域的工作原理



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