09
2020
01

示波器探头

前面介绍了示波器,但是要使用示波器通常就要用到探头,大部分人会比较关注示波器本身的使用,却忽略了探头的选择。实际上探头是介于被测信号和示波器之间的中间环节,如果信号在探头处就已经失真了,那么示波器做的再好也没有用。

要选择合适的探头,首先要了解探头使用的场景,针对对电压信号的测量,一种比较常见的场景就是系统在运行,我们需要使用示波器探测被测信号的波形情况。在这种场景中,我们需要考虑示波器测试系统对被测电路的影响以及测量系统对信号的失真影响。理想的系统测试系统应该是对被测电路没有任何影响,而且对被测信号进行没有任何失真的测量。但是这种理想状况是不可能实现的,因为这个测试系统必定是要汲取一定的电流的。我们可以使得测试系统不断趋近与理想系统,跟理想系统趋近的程度是由成本因素决定的。这里我们主要对这种应用场景下的探头进行分析。

在这种场景下,我们通常将探头和示波器组成的测试系统简化为一个R,L,C模型,然后把这个模型和被测电路放到一起分析。 被测电路以及测试系统模型如下图所示:

示波器测量简化等效电路图

探头技术指标

我们通过谈论这个简化的测试模型中的各元素来看看探头的一些技术指标。

探头输入阻抗

首先,测试系统有输入电阻(主要是探头)。和万用表测电压的原理一样,为了尽可能减少对被测电路的影响,要求探头本身的输入电阻Rprobe要尽可能大。但由于Rprobe不可能做到无穷大,所以就会和被测电路产生分压,实际测到的电压可能不是探头点上之前的真实电压,这在一些电源或放大器电路的测试中会经常遇到。为了避免探头电阻负载造成的影响,一般要求Rprobe要大于Rsource10倍以上。大部分探头的输入阻抗在几十k 欧姆到几十兆欧姆间。 而对于负载来说,通常的LVCMOS电路的输入为高阻,输入阻抗也很大。

如果仅考虑示波器和探头的输入阻抗特性,我们可以看到源信号和示波器的测试信号波形如图所示:

示波器及探头的输入阻抗特性

两个信号的波形非常相似,只是信号幅度有差别。那是因为示波器和探头的输入阻抗会影响测试信号的信号幅度。被测系统的阻抗和示波器及探头的输入阻抗形成了一个分压器。最终示波器测量到的信号幅度受到被测系统的阻抗以及示波器及探头的输入阻抗有关。

理想状态下,V_means应该等于V_source,但是实际上示波器和探头肯定会影响到信号幅度,所以大多数应用,示波器及探头会有很大的输入阻抗。比如我们通常用的低速单端探头一般会有10M欧姆的输入阻抗。而通常的信号接口走线会采用50欧姆,10M欧姆的探头输入阻抗就会对被测信号产生比较小的影响。另外对于电源信号,被测信号的源端阻抗会更低,甚至是几个毫欧。

探头寄生电容

另一个需要关注的就是探头的寄生电容。寄生电容和电路的源端电阻形成一个低通滤波器,将通过探头的一些高频信号过滤掉,同时会对信号中的高频成份的相位产生一定的影响,最终的结果就是影响到信号的上升沿。

我们可以看到源信号和示波器的测试信号波形如下图所示:

示波器及探头的输入容性特性

示波器探头的上升时间为:

源端信号经过示波器探头以后的上升沿变为:

通常高带宽的探头寄生电容都比较小。理想情况下Cprobe 应该为0,但是实际做不到。一般无源探头的输入电容在10pf 至几百pf 间,带宽高些的有源探头输入电容一般在0.2pf 至几pf 间。

探头引线电感

探头输入端还会受到电感的影响。探头的输入电阻和电容都比较好理解,探头输入端的电感却经常被忽视,尤其是在高频测量的时候。电感来自于哪里呢?我们知道有导线就会有电感,探头和被测电路间一定会有一段导线连接,同时信号的回流还要经过探头的地线。通常1mm 探头的地线会有大约1nH 的电感,信号和地线越长,电感值越大。探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路,当电感值太大时,在输入信号的激励下就有可能产生高频谐振,造成信号的失真。所以高频测试时需要严格控制信号和地线的长度,否则很容易产生振铃。

探头分类

示波器的探头按是否需要供电可以分为无源探头和有源探头。

无源探头根据输入阻抗的大小又分为高阻无源探头和低阻无源探头两种。

高阻无源探头

高阻无源探头即我们通常所说的无源探头,应用最为广泛,基本上每个使用过示波器的人都接触过这种探头。高阻无源探头和示波器相连时,要求示波器端的输入阻抗是1M 欧姆。以下是一个10:1 高阻无源探头的原理框图。

高阻无源探头的原理框图

在使用此类探头时,示波器的输入阻抗会自动设置为高阻1MΩ。此时示波器BNC通道输入点的电压Vscope与探头前端所探测的电压值Vprobe的关系满足以下对应关系:

Vprobe/Vscope = (9MΩ + 1MΩ) / 1MΩ = 10 : 1

有点是该类无源探头具备高阻抗10MΩ,因此它对待测电路的负载效应(将在第二部分详述)很小,能覆盖一般低频频段(500MHz以内),耐压能力强(300V-400Vrms),价格便宜,通用性好,所以得到广泛使用。缺点是示波器得到的电压是探头探测到电压的十分之一,这也是无源探头10:1衰减因子的由来。这样会影响到信号的分辨率。如果你的示波器的最小分辨率为2mV,那么连接这种示波器探头以后,你所测量的信号的最小分辨率就变为20mV。这对于测试电源纹波等应用就很不合适了。

低阻无源探头

无源传输线探头是另一类特殊的无源探头,其特点是输入阻抗相对较低,一般为几百欧姆,支持带宽更高,可达数GHz以上。下图为输入阻抗为500Ω的10:1无源传输线探头原理图:

低阻无源探头的原理框图

传输线探头具备低寄生电容,低输入阻抗的特性,一般用来测量高频信号。在使用传输线探头时应该注意将示波器输入阻抗设置为50Ω,以与传输线50Ω阻抗相匹配,传输线探头的典型应用为测量50Ω传输线上的电信号,通过SMA-N等不同的转换接头,传输线探头也可用在频谱分析仪等其它测试设备上。

需要注意的是,由于传输线探头的低阻抗,它的负载效应会比较明显。因此,此类探头仅适用于与低输出阻抗(几十至100欧姆)的电路测试。对于更高输出阻抗的电路,我们可以选择使用高阻有源探头的方案,将在后续详述。

有源探头

介绍完无源探头,我们接下来看看有源探头。顾名思义,有源探头区别于无源探头最大的特点是“有源”,即它需要提供电源才能工作。如今大多数有源探头都配备有特殊借口,通过与示波器连接从示波器获得电源,而不需要额外提供外置电源(某些型号除外)。下图所示为有源单端探头原理图:

有源探头的原理框图

有源单端探头一般具备高阻抗(1MΩ上下),低寄生电容。其前端有一个高带宽的放大器,有源探头的供电主要用于此放大器。放大器驱动信号经过50Ω传输线到达示波器,示波器的输入阻抗需选择为50Ω作匹配。由于其较低的寄生电容和50欧姆传输,有源单端探头可以提供比无源探头更高的带宽,因此主要应用在高频信号的测量领域。

优点和缺点往往是并存的,有源单端探头亦是如此。能够测量更高带宽的信号是其优点,但由于需要集成有源放大器,因而其成本相对于无源探头来说更高,一个几GHz带宽的有源单端探头价格可达数万人民币。除此之外,由于高带宽放大器的信号输入范围十分有限,因而其动态范围有限,一般有源单端探头的动态范围仅在几伏范围之内,探头所能承受的最大电压也只有几十伏。

相对于前面所说的无源传输线探头,有源单端探头同样可以应用在低阻抗高频率信号的测量环境,且由于其输入阻抗相对于无源传输线探头更高,因此它的负载效应更小。


今天对示波器的探头就谈到这里,我不是探头方面的专家,对探头了解的不多,这里的资料也是我从网络上搜集来的,因为在后续的测试部分我们需要谈到这些,希望大家有个基本的了解。实际上我现在的测试环境中很少用到探头,我们使用了另外的一些测试方法,后续我会跟大家继续深入讨论。


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