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示波器探头以及示波器输入阻抗选择

2019-08-09 21:06阅读:
作为一名硬件从业者,虽然天天在接触示波器,但却对其一些参数了解甚少,为了更好的使用示波器并顺利的在实践中应用示波器分析相关的问题,现对一个基本知识进行梳理和总结。
本文内容主要讲述示波器探头的分类以及示波器输入阻抗选择的相关知识。
首先,下图描述了测试状态下的等效电路图,可以看对于直流/低频下,探头上的阻抗体现为电阻,而对于高频状态下探头上的寄生参数则占据了主要作用。在工程中,往往认为探头线缆为均匀传输线,其特征阻抗为50Ω。
示波器探头以及示波器输入阻抗选择
常见的电压探头一般分为无源探头和有源探头,差分探头。下面现以无源探头为例进行说明。
在示波器的使用过程中,往往需要选择相应的输入阻抗,即50Ω/1MΩ。这个阻抗其实指的是示波器的内阻,如下图所示,scope中即为该阻抗。因此对于大部分无源探头而言,其阻抗为9MΩ,因此此时应将示波器的输入阻抗调整到1MΩ,此时输入变比为10:1。如果将示波器内阻调整为50Ω,此时输入变比为180001:1,此时通常会出现结果不准确的情况。
示波器探头以及示波器输入阻抗选择
上图中红色方框中的为示波器探头的输入电容,由于该寄生电容的存在,极大的影响了示波器的高频性能。这里引
入示波器及探头带宽的概念。带宽为示波器以及探头的工作带宽,通常在选用示波器和探头时,遵循一个5倍原则,及工作带宽为被测波形频率的5倍,这样基本能够较为准确的还原出被测波形,如方波。
示波器探头以及示波器输入阻抗选择
回到寄生电容的影响,在低频时寄生电容基本不体现作用;而到高频时,由于寄生电容的的存在,其探头上的阻抗会极大的减小,例如在100MHz时,10pF的电容就只有159Ω的阻抗。此时,分压比就完全不是之前的10:1了。因此,通常示波器内部电阻也会并联一个电容,用来抵消输入电容所带来的影响,该电容Ccomp可以调整,用来达到最佳的测量效果。通常×10的探头输入电容为10pF,而×1的探头输入电容相对较大,往往到达100pF。
示波器探头以及示波器输入阻抗选择
探头上的寄生电感也会对测量造成影响。首先寄生电感会与输入电容产生谐振,从在谐振频点周围的测量结果。同时寄生电感本身会在高频处影响阻抗。
在某些应用中使用50欧的低阻探头(传输线探头),采用匹配同轴缆,专门为50Ω环境设计,可以检测到10GHz的频率。
为了测量更高频带内的信号,往往使用频带更宽的有源探头。有源单端探头一般具备高输入阻抗,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。
示波器探头以及示波器输入阻抗选择
最后在这里介绍有源差分探头。与有源单端探头相比,其最大不同在于使用了差分放大器。有源差分探头同样具备低寄生电容和高带宽特性,所不同的是,有源差分探头具有高共模抑制比(CMRR),对共模噪声的抑制能力比较强。有源差分探头主要用来测试差分信号,即测试两路信号(一般为相位相差180度的正反信号)的相对电压差,与地无关。




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