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【示波器专题】示波器探头的原理和分类

对于示波器,其输入口通常是BNC或者SMA 3.5mm接头、2.92mm接头、1.85mm接头、1mm接头等同轴接口。

2000示波器带宽如下图所示MHz~1.5G,使用连接探头BNC接口

示波器连接探头的接口如下图所示SMA该示波器探头的接口使用有限,通常用于射频和微波的信号测试。对于数字或通用信号测试,通常使用特殊的探头。

如果被测件与同轴接口连接器相似,可以通过示波器电缆直接连接,但如果是测试PCB如果不使用周同轴连接器,则需要使用相应的示波器探头。

所有使用示波器的工程师都接触过探头。通常,示波器用于测量电压信号(例如,外部传感器的光和电流也首先通过相应的转换器转换为电压信号)。探头的主要目的是将测量的电压信号从测量点引入示波器进行测量。根据不同的应用程序,我们可以选择各种探头,如下图所示:

根据是否需要供电,示波器探头可分为有源探头和无源探头,根据测量信号可分为电压、电流和光探头。所谓无源探头,是指整个探头由无源设备组成,包括电阻、电容器、电缆等,有源探头内一般有放大器,需要通过示波器接口或外部供电。

在使用示波器时,大多数工程师会更加关注示波器本身,而忽略了探头的选择。事实上,探头介于被测信号和示波器之间的中间环节。如果信号在探头后失真,无论示波器做得多好,它都是无用的。因此,探头的选择非常重要。

比如,通常500MHz 无源探头本身的上升时间约为700ps,通过这个探头进行测试 上升时间为530ps即使不考虑示波器带宽的影响,探头后信号的上升时间也变成了860ps,因此,最终测试示波器得出信号上升时间必然是错误的。

由探头和示波器组成的测量系统带宽通常可以用以下公式计算:

整个测量系统的带宽取决于带宽整个测量系统的带宽取决于带宽最小的部分。了解示波器的频率响应模式,请参考星球文章:示波器主题示波器的频率响应模式。

实际上,探头的设计要比示波器更难,因为示波器内部是可以做很好的屏蔽,并且也不需要频繁的拆卸,而探头的设计除了要满足方便的要求,还要保证至少要有示波器一样的带宽,这难度会大的多。回顾示波器的发展历史,当许多高带宽实时示波器首次出现时,没有相应的带宽探头,通常推迟相应的带宽探头。

在测试过程中,要选择合适的探头,首先要了解探头对测试的影响,包括探头对被测电路的影响和探头对被测信号的影响,导致信号失真。理想的探头应该对被测电路没有影响,信号到示波器。但理想总是理想的,没有探头可以同时满足这两个条件,通常需要在这两个参数上妥协。

研究探头可以将探头输入电路等效为下图RLC模式(实际模式比这更复杂)需要将被测电路放在一起进行分析。

首先,探头本身有输入电阻,原理与万用表测量电压相同。为了尽量减少对电路的影响,探头本身需要输入电阻Rprobe要尽可能大。由于Rprobe不可能无限大,因此会与被测电路分压,使实际电压可能不是探头测量的真实电压,这在电源或放大器电路的测试中经常遇到。为避免探头电阻负载的影响,

其次,探头本身有输入电容,这个电容不是刻意做进去的,而是探头本身的寄生电容。这个寄生电容是影响探头带宽的最重要原因,因为这个电容会衰减高频成分。通常高带宽的探头寄生参数都较小,随着寄生电容的存在,探头的交流输入阻抗随频率的增加而下降,从而影响探头的带宽。

在下图的红色框图中,一些无源探头的输入电容值约为10pF数量级。

下图显示了一些有源探头的输入电容,可能是几个pF的数量级。

下图是两种常见的有源探头和无源探头输入阻抗随着频率变化的曲线,两种探头的输入阻抗在直流情况下都是高阻的,最普遍使用的500MHz在直流条件下,带宽的高阻无源探头输入阻抗为10M,另一个2GHz带宽的有源探头输入阻抗为1M。但由于无源探头有更大的寄生电容器,当频率达到70时,输入阻抗随频率的增加迅速下降MHz当输入阻抗远小于寄生电容器的有源探头时。所以输入寄生电容对探头的带宽影响很大。

探头的输入信号还会受到探头寄生电感的影响。探头的输入电阻和电容更容易理解,但探头的输入端寄生电感往往被工程师忽视,尤其是在高频信号测量中。那电感从何而来??我们知道导线就会有寄生电感,探头与被测电路之间会有一段导线连接,同时信号回流还要经过探头的地线。通常1mm探头长度为1nH信号和地线越长,电感值越大。

由于探头中存在寄生电感,我们在测试电源纹波时需要使用最小地环进行测试。详见星球文章:电源主题如何产生电源纹波?测试电源纹波时应注意什么?

如下图所示,探头的寄生电感和寄生电容形成谐振电路。当电感值过大时,谐振频率很低,在输入信号的激励下特别容易产生高频谐振,导致信号失真。因此,在测量高频信号时,应严格控制信号和接地线的长度,否则很容易产生振动铃。

因此,当我们测试不同的信号时,我们不仅应该选择正确的探头,还应该知道探头的寄生参数对我们测量的信号的影响。这就要求我们学习探头和示波器的知识,提高我们的认知,以便更轻松地工作。

参考现代示波器的高级应用-测试和使用技能

李光熠


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标签: 射频同轴连接器转接头sma

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