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如何選擇示波器電壓探頭
閱讀：180 發(fā)布時(shí)間：2024-9-11工程師朋友們是否注意到這種現(xiàn)象？
使用不同的探頭組合測量同一個(gè)對(duì)象，觀測到的波形會(huì)發(fā)生變化。
而同樣的探頭，使用不同的方法測量，波形(測量范圍)也會(huì)不同。
試試看，用DLM4000 觀測200MHz的LVDS信號(hào)的結(jié)果會(huì)怎樣？
上圖左側(cè)與中間為使用無源探頭但地線接地方式不同后產(chǎn)生的測量結(jié)果。
右側(cè)為使用了有源探頭測量出來的結(jié)果。
這種情況，如何辨別哪個(gè)波形測量結(jié)果是正確的呢。
通常我們使用示波器測量波形，不會(huì)用多個(gè)方法反復(fù)測量同一種波形。但是通過不同測試方法的對(duì)比，可以顯而易見地察覺到這些方法測量結(jié)果的差異。顯然有源探頭的測量結(jié)果更精準(zhǔn)。由此希望大家能夠注意到，無源探頭與有源探頭性能上的差異，導(dǎo)致其探測到的波形也會(huì)有所不同。但是即便使用同樣的探頭，用法不同，波形也會(huì)有所不同（見左側(cè)1和2）。所以，選對(duì)探頭，選對(duì)方法，才能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)原波形。
下面，我們來看看為什么探頭使用方法不同觀測到的波形會(huì)發(fā)生不同？
這是探頭的基本構(gòu)造和原理決定的。
一、探頭的作用
探頭是用來從被測量對(duì)象身上拾取信號(hào)傳送到示波器的工具，主要由探頭頭部、電纜、校正盒組成。探頭被用來連接被測量電路與示波器，為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量，對(duì)探頭的要求非常之高。
二、判斷探頭是否適用，有如下3個(gè)基準(zhǔn)：
物理接觸
對(duì)電路的影響程度
傳輸信號(hào)的失真程度
能夠滿足測量要求，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)波形的，就是理想中的探頭——
忠實(shí)性
可以不失真地傳送波形，忠實(shí)復(fù)現(xiàn)波形。
低負(fù)荷
不會(huì)對(duì)測量對(duì)象產(chǎn)生影響。
安全性
可以安全地拾取信號(hào)，傳送信號(hào)。
抗噪聲
在傳送信號(hào)時(shí)不混雜噪聲
但是，“理想"的探頭，在現(xiàn)實(shí)中并不是真實(shí)存在，我們能做的就是無限接近“理想"。探頭或多或少都會(huì)對(duì)測量對(duì)象產(chǎn)生影響，因而也會(huì)影響到測量結(jié)果。探頭影響測量結(jié)果是不能避免的，所以在此基礎(chǔ)上正確理解測量結(jié)果顯得尤為重要。
三、探頭種類
不同的探頭適用于不同的環(huán)境。選擇合適的探頭是測量的一步。
先需要了解需要測量的信號(hào)。
電信號(hào)基本就是測量電壓或電流，頻率高或低、振幅多少、測量對(duì)象的輸出電阻高或低、差分是否需要通過絕緣來測量等。
理解了測量對(duì)象，就可以從種類豐富的探頭中做出選擇。
市場上有對(duì)應(yīng)測量高電壓、高速信號(hào)或用于多種場景的豐富的探頭類型。
對(duì)于電壓探頭，因其可以進(jìn)行非接觸式測量，所以不會(huì)對(duì)測量對(duì)象產(chǎn)生過大的影響。
我們著重看看電壓探頭如何選擇—
四、電壓探頭
規(guī)格
選擇電壓探頭時(shí)需要確認(rèn)的4種規(guī)格：
頻率范圍：由可測量的頻率決定
輸入電壓范圍：可觀測信號(hào)的大電壓＋富余量(電涌等)
輸入電阻：對(duì)測量對(duì)象產(chǎn)生的直流電負(fù)載
輸入電容：對(duì)測量對(duì)象產(chǎn)生的交流(高頻)電負(fù)載
參考如上規(guī)格選擇合適的探頭。
輸入電阻過低會(huì)產(chǎn)生直流負(fù)載，會(huì)影響到電路的偏壓。
輸入電容過大會(huì)影響高速信號(hào)的上升等。
主要用途
以無源與有源探頭為例，我們簡要說明差分探頭的結(jié)構(gòu)和注意事項(xiàng)。
五、無源探頭
在示波器用探頭里，為常用的便是無源探頭。無源探頭堅(jiān)固耐用，加之可以擴(kuò)展測量電壓的范圍，所以用途非常廣泛。
等效電路可按照R1、C2、R2、C2'(=Ccable+Cv+C2)表示。
除了Cv，其他均為定值。
在DC里，C的電阻無限大，因此此電路的衰減比由R2/(R1+R2)決定。
為了在高頻里獲得同樣的衰減比，需要將C1與C2’的電阻比與R2、R1的電阻比調(diào)成相同的數(shù)值。
C1：C2'=R2:R1→R1C1=R2C2'
通過適當(dāng)調(diào)整Cv，可以在DC到高頻中獲得正確的振幅。反之，未做適當(dāng)調(diào)整時(shí)，隨著頻率的變動(dòng)，振幅會(huì)時(shí)小時(shí)大，無法獲得正確的振幅。
無源探頭的作用便是分壓電壓，使其衰減至示波器的輸入范圍之內(nèi)，以及增加輸入阻抗，降低輸入電容。
可不使用高阻抗時(shí)，R1在450Ω時(shí)可被稱為無C1的電阻探頭。
使用10:1無源探頭 - 首先需要正確調(diào)整！
連接示波器與探頭，調(diào)整探頭上的可變電容器，使不同頻率下的增益穩(wěn)定。相位調(diào)整不正確時(shí)，振幅看起來會(huì)過小或者過大，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果。
下圖是利用示波器的CAL輸出(1KHz方波)進(jìn)行調(diào)整的示例。
如果校正不正確，就會(huì)在錯(cuò)誤的波形振幅下進(jìn)行觀測。
如果你測試的信號(hào)振幅比預(yù)想的大，就嘗試用2根探頭觀測同樣的信號(hào)，2根探頭觀測到的信號(hào)振幅不同，那么你就需要校正探頭。
探頭校正，可使用方波來進(jìn)行調(diào)整，但如果調(diào)整不當(dāng)，測量方波時(shí)其影響會(huì)非常明顯。
可是這種影響，在測量更高方波頻率的波形時(shí)，卻不容易被人識(shí)別。正弦波亦是如此。
如上圖所示，校正不當(dāng)時(shí)，輸入小于1kHz的信號(hào)后其結(jié)果便顯而易見。頻率更快的信號(hào)和正弦波的觀測結(jié)果如圖所示，沒有明顯異常，但實(shí)際上振幅受到了影響，無法精準(zhǔn)測量。
10:1無源探頭的構(gòu)成(數(shù)10MHz以上的等效電路示意圖)
這里展示的探頭系統(tǒng)為利用了示波器輸入電阻的分壓電路。高頻下的示波器輸入電阻，即使生產(chǎn)商相同，機(jī)器規(guī)格不同也會(huì)有所不同，因此探頭會(huì)根據(jù)機(jī)型進(jìn)行細(xì)致的調(diào)諧。也就是說，即便是同一個(gè)探頭，如果連接的示波器機(jī)型(輸入電阻)發(fā)生變化，1/10的分壓也會(huì)失衡，無法獲得正確的波形。
注意，在10MHz以上的頻率時(shí)，使用非選定的探頭無法保證其獲得正確的頻率特征。實(shí)際上根本不能使用！
上面的探頭等效電路是低頻而阻抗較大的情況。隨著頻率升高，阻抗也同時(shí)減少。在阻抗減少的過程中通過匹配RC的時(shí)間常數(shù)，把衰減維持在一定水平上。
頻率越高阻抗越小，此時(shí)顯現(xiàn)電感元件造成的影響，在共同的影響作用下阻抗增大，隨頻率發(fā)生變化。不管是窄頻還是寬頻，示波器因阻抗之間分壓的存在，采用了可盡量能控制阻抗變動(dòng)的設(shè)計(jì)。
有電線就必有電阻、電感、電容，但是線材性能與部件的電容占主導(dǎo)地位，因此此處略過。
同軸電纜在高頻下可視作傳輸線。示波器的輸入端為高阻抗端，因此可被視作開路，探頭終端會(huì)發(fā)生全反射，會(huì)發(fā)生波長相當(dāng)于電纜長度1/4的諧振。
C=300000000m/s f=v/λ v=c/ √電容率 電容率=2.2
電纜長1.5m時(shí)，以33.3Mhz進(jìn)行諧振。
電纜長1m時(shí)，以50MHz進(jìn)行諧振。