如何选择一个合适的示波器探头?

胡薇 发表于 2018-06-01 15:49:12 收藏 已收藏
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如何选择一个合适的示波器探头?

胡薇 发表于 2018-06-01 15:49:12

探头-测量质量的关键环节!

探头对示波器测量至关重要。为了解其重要意义,从示波器上不连接探头,试着进行测量,结果是不能进行测量。在被测信号和示波器的输入通道之间必需有某类电连接,也就是某类探头。

探头除对示波器测量至关重要外,探头对测量质量也非常关键。把探头连接到电路上可能会影响电路操作,示波器只能显示和测量探头传送到示波器输入上的信号。

因此,探头对探测的电路影响必须达到最小,并对所期 望的测量保持足够的信号保真度。如果探头不能保持信号保真度,如果它以任何方式改变信号或改变电路运行的方式,示波器会看到实际信号的失真结果,进而可能会导致错误的测量结果或误导性的测量结果。

探头选型指南

信号源怎样把其属性转换成相应探头选型指标?与以前一样,我们的目标是选择能够最好地探测信号到示波器的探头。但是,还不止于此。示波器提出了某些要求,在选择探头的过程中,必须考虑这些要求。

本章考察了各种选型要求,我们首先介绍信号源提出的要求。

选择适当的探头

由于广泛的示波器测量应用和需求,市场上可供选择的示波器探头很多,因此探头选择过程很容易引起混淆。

为减少大量的混淆及缩小选择过程,应一直遵守示波器制造商的探头建议,这一点非常重要!因为不同的示波器是有不同的带宽、上升时间、灵敏度和输入阻抗。充分利用示波器的测量功能要求探头要与示波器的设计相匹配。

此外,探头选择过程应考虑测量需求。您要测量哪些项目?是电压?电流?还是光信号?通过选择适合信号类 型的探头,可以更快地获得直接测量结果。

另外,要考虑测量的信号幅度。它们是否位于示波器的 动态范围内?如果不是,必需选择可以调节动态范围的探头。一般来说,这通过使用10X 或更高的探头进行衰减来实现。

要保证探针上的带宽或上升时间应超过计划测量的信号频率或上升时间。要记住,非正弦曲线信号具有重要的频率成分或谐波,其可能会在很大程度上超过信号的基频。例如,为了测量包括100MHz方形波的第5个谐波,您需要探针上的带宽为500MHz的测量系统。类似的, 示波器系统的上升时间应该比计划测量的信号上升时间快 3-5 倍。

另外,应一直考虑探头可能导致的信号负载。尽量使用高电阻、低电容探头。对大多数应用,带有20pF或更低电容的10M探头应为信号源负载提供充足的保证。但是,对某些高速数字电路,您可能需要转向有源探头提供较低的电容。

最后记住在进行测量前,必须能够把探头连接到电路 上。这可能要求选择时专门考虑探头头部规格和探针适 配器,以简单方便地连接电路。

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理解信号源

在选择探头时要考虑四个基本信号源问题,即信号类型、信号频率成分、信号源阻抗和测试点的物理属性。

信号类型:探头选择的第一步是评估要探测的信号类型。为此,可以把信号划分为:

■ 电压信号

■ 电流信号

■ 逻辑信号

■ 其它信号

电压信号是电子器件测量中最经常遇到的信号类型,也正因如此,电压传感探头是最常用的示波器探头类型。 此外,应该指出,由于示波器在输入上要求电压信号,因此其它类型的示波器探头在本质上是把传感到的现象转换成相应电压信号的转换器。一个常见实例是电流探头,它把电流信号转换成电压信号,以在示波器查看信号。

逻辑信号 实际上是特殊类型的电压信号。可以使用标准电压探头查看逻辑信号,但更常见的情况是必需查看特定的逻辑事件。设置一个逻辑探头提供触发信号给示波器,当满足规定的逻辑组合触发条件,这允许在示波器显示屏上查看特定的逻辑事件。

限制带宽的主要影响是降低信号幅度。信号的基频越接近探头的3dB带宽,探头输出上看到的整体信号幅度越低。在3dB 点上,幅度下降30%。此外,由于带宽滚降,扩展到探头带宽之上的信号谐波或其它频率成分会经历更高程度的衰减。在较高的频率成分上衰减程度较高,可以通过拐角的变化及快速波形转换沿的变慢看出这一点(参见下图)。

还应该指出,探针电容也限制着信号转换的上升时间。 但是,这与信号源阻抗和信号源负载有关。

信号源阻抗

讨论信号源阻抗阻抗可以提炼为下面几个要点:

1. 探头的阻抗与信号源阻抗相结合,产生新的信号负载阻抗,其在一定程度上会影响信号幅度和信号上升时间。

2. 在探头阻抗明显高于信号源阻抗时,探头对信号幅度的影响可以忽略不计。

3. 探针电容也称为输入电容,影响着信号的上升时间。这是由于把探头的输入电容从10%提高到90%所需的时间导致的,其公式如下:

tr = 2.2 x Rsource x Cprobe

从上面几点中,可以明显看出最好选择高阻抗、低电容探头,以最大限度降低信号源的探头负载。此外,通过在可能的地方选择低阻抗信号测试点,可以进一步降低 探头负载的影响。

物理连接考虑因素

信号测试点的位置和形状也是探头选择的主要考虑因素。其是否足够,刚好把探头接触到测试点上、在示波器上观察信号?还是必需使探头连接测试点,以监测信号,同时进行各种电路调节?对前一种情况,适合采用 针式探针;而对后一种情况,则要求某类可收缩的挂钩探针。

测试点的规格也影响着探头选择。标准规格的探头和配 件特别适合探测连接器针脚、电阻器引线和背板。但为了探测表面封装电路,我们推荐使用带有为表面封装应 用专门设计的配件的小型探头。目标是选择最适合特定 应用的探头规格、形状和配件,从而可以迅速、简便、牢 固地把探头连接到测试点上,以可靠地进行测量。

示波器问题:示波器问题对探头选型的影响与信号源问题一样重要。 如果探头与示波器不匹配,将损害探头的示波器一端信号保真度。

带宽和上升时间:必需认识到,示波器及其探头是作为一个测量系统一起 工作的。因此,使用的示波器带宽和上升时间指标应大于等于使用的探头指标,使其足以测量信号。

这些探头放大器系统专用程度高,是为了与特定的示波 器型号匹配而设计的。结果,在选择示波器时一定要检查制造商为差分探头系统推荐的配件,以满足小信号应用要求。

注意:差分探头系统通常包含灵敏的器件,过压可能会 损坏这些器件,包括静电放电。为避免损坏探头系 统,一直应遵循制造商的建议,并遵守所有注意事项。

读数功能。大多数现代示波器在屏幕上提供了垂直灵敏度和水平灵敏度设置(伏/格和秒/格)的读数。这些示波器通常还提供了探头传感和读数处理功能,从而读数可以正确跟踪使用的探头类型。例如,如果使用10X 探 头,通过以10X 系数调节垂直读数,示波器应大体反映灵敏度。如果使用电流探头,垂直读数将从伏/格变为安培/格,以体现正确的度量单位。

为利用这些读数功能,应使用兼容示波器读数系统的探头。也应该遵循制造商与特定示波器一起使用探头的建议。这对新型示波器尤其重要,其可能具有许多通用探头或商用探头没有全面支持的高级读数功能。

选择正确的探头

从前面讨论的信号源和示波器问题中可以明显看出,如果没有一定的帮助,选择适当的探头是一个非常麻烦的 过程。事实上,由于并没有一直指定某些关键选择标准,如探头上升时间和示波器输入电容,在某些情况下选择 过程可能会变成猜测性的工作。

为避免猜测性的工作,最好选择在推荐配件清单中包括 可以广泛选择探头的适配器。另外,在遇到新的测量要求时,一定要与示波器制造商核对新推出的、可能扩展示波器功能的探头。

最后,记住对任何给定应用,实际上并没有“合适的”探 头选型,而只有“合适的”示波器 / 探头组合选项,它 们首先取决于界定的信号测量要求,包括:

■ 信号类型(电压, 电流, 光接口等等)

■ 信号频率成分(带宽问题) 信号上升时间

■ 信号源阻抗(电阻和电容)

■ 信号幅度 (最大值, 最小值) 测试点形状(带引线的器件, 表面封装等)

通过考虑上述问题及填写具体的应用信息,可以找到能 够满足所有应用需求的示波器和各种兼容探头。

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