(内蒙古机电职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010050)
摘 要：文章简述了示波器探头的型式、选择准则主要指标、测量考虑和经验,以及选择探头时需考虑的因素。
关键词：探头型式;指标;法则;示波器；电子测量
中图分类号：TM935 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2009)02—0114—02
在电子测量中,常常要用到示波器对被测信号进行测量,被测信号是由示波器的探头引入到示波器的测量电路中的,探头性能对测量结果影响很大,尤其是对频率特性的影响尤为明显。在许多实验室和维修车间,探头的特性和性能却常常被人们忽视。笔者在带领学员进行低频电路实验和高频电路实验时发现学员对探头应用方面的知识了解甚少,甚至不知道探头的质量对频率特性(尤其是高频电路的频率特性)影响较大。因此有必要对这方面的知识进行介绍,以便于使用者根据自己的需要合理地选用示波器探头。
1 探头类型
1.1 通用无源探头
衰减无源电压探头是最常用的探头。它提供了一种方便的、并且非常坚固耐用且价格并不昂贵并从被测装置获取信号的方法。
1.2 有源探头
有源的输入阻抗高,但带宽达不到1GHz。探头的带宽是固定的,而有源探头的带宽可以扩展覆盖,这是有源探头的优势。有源探头的不利条件是成本高、尺寸大,输入电压和功率有一定的限制,在其前端处有放大电路。现在有的新型示波器,装设有独立的前端放大器。随着探头衰减比较不同,输入电压有所变化。典型的是在1∶1和10∶1上输入电压为10V或更低。尽管如此,最大的无破坏输入电压可达150V~200V。
1.3 高压无源探头
从Tektronix可以得到几种高压探头,提供100X或1000X有补偿的分压器。因为高压应用要求较大的衰减倍数,在输入电容方面降低约3pF是可以达到的。
1.4 电流探头
电流探头提供测量通过电路电流的方法。有两种型式的电流探头:传统的只测AC电流的探头和“霍尔效应”型探头。只能测AC的电流探头使用互感器把电流磁场变换为AC信号并且频率响应从几百Hz～GHz。霍尔效应电流探头用半导体提供从DC～50MHz的频率响应。由于它的“不接触(non-invasive)”性质,电流探头比其他探头有较小的负载作用。
1.5 50Ω分压器探头(Zo)
50Ω分压器探头提供最低的输入电容(对高频信号一般<lpF,并与高频50Ω输入的示波器一起用。50Ω分压器探头提供始终如一的探头负载作用,因为它们表现出的频响在整个设计频率范围内实质上是平坦的。
1.6 差分探头
常规10X探头一般精度为±1%并给出2%的差分测量精度。用这个10X探头,示波器和探头匹配的共模抑制比不会优于50∶1。Tektronix示波器插件可以提供高共模抑制比(10000∶1,1A33)。一个匹配的差分探头对(P6135A)允许用户调节探头的衰减以便与各种Tektronix插件兼容。这个衰减调节包括探头补偿以使探头在高频和低频一致。
2 探头的选择及使用
正确的探头选择会扩展和增强仪器的性能,而错误的探头选择往往会降低你的系统性能。对探头特性的深思熟虑会帮助保证你的仪器性能满足你的应用要求。虽然对合适的探头主要考虑是它的负载影响和信号逼真度的传送。但物理参数例如:探头尺寸大小、电缆长度和与被测装置互相连接的适配器对你测量的成功可能更重要。
在高频段正确使用探头也是很重要的。许多信号源都有一个接地参考点(OV),用无源的或有源的单端探头都能很好地工作。如果信号源的参考点不是OV,就应使用差分测量法,否则会发生短路现象,损坏仪器。
不要把示波器与地隔离开而浮置起来。用单端探头做差分测量是很危险的。通常示波器的输入端与地之间接有10pF或15pF电容,也有少数大型示波器在输入端与地之间接有100pF的电容,若用它做差分测量,由于存在不平衡的容性负载,使信号扭曲。
量无零点参考信号时,用差分探头能解决这些问题,用两个探头分别接在示波器的两个通道上,设置示波器显示出两者相减的结果,此两探头应选用匹配好的一对,所谓匹配好实际上是指两探头的电缆要一样长,即对信号的延迟要一样,其输入电容、电阻和衰减也一样。用微调电容可以减小两者的差别。
多信号源都有一个接地参考点(OV),用无源的或有源的单端探头都能很好地工作。如果信号源的参考点不是OV,就应使用差分测量法,否则会发生短路现象,损坏仪器。
3 探头的主要指标
①带宽/上升时间;②探头的负载作用;③畸变(Aberration);④补偿范围;⑤衰减比;⑥最大电压;⑦电压额定值随频率的降低;⑧探头长度;⑨探头顶端附件;⑩探头编码;11最大电流(连续);12最大电流(脉冲);13安培秒乘积;14最大DC电流。
4 探头测量考虑和经验
选择正确探头的主要考虑是示波器/探头组合对电路的负载作用。有最高输入阻抗(最低输入电容和最高输入电阻)的探头可以提供最小的电路负载。
当电路频率增高和(或)上升时间减小时,容性加载变得最重要:在DC和低频下阻性加载是最重要的。
在测量高速上升时间脉冲时,电压探头的电容性负载是最重要的考虑。对探头输入电容从10%~90%电平充电所要求的时间是:Ttr=2·2×R源×C探头探头本身的上升时间是由终接50Ω的源驱动的探头上升时间,从这个公式对于不是终接于50Ω的无源探头可以计算出探头/示波器系统的上升时间。
Ttr2系统=Ttr2探头+Ttr2源
可以计算出探头/示波器系统的带宽(下降3dB)
BW=0.35/Ttr上升
这些公式全部与探头/示波器系统的输入电容有关。由于输入电容扮演如此重要的角色,在选择探头时要仔细考虑探头的输入电容值。探头衰减比也是重要的考虑。示波器必须有足够的增益,允许在使用有较大衰减比的探头时可以观察经过衰减的信号。在衰减探头与示波器一起使用时,示波器的输入电阻和输入电容用R2C2表示,而探头的电阻和电容用R1C1表示。
R2C2=R1C1=Optimum Signal Transfer
在探头最初接到示波器上时,用低频方波(通常为(1~10)kHz)进行补偿来达到时间常数相等:不适当的补偿将引起过冲、滚降或不正确的信号幅度。
5 选择探头时应考虑的因素
5.1 探头与示波器
探头与示波器输入电阻和输入电容匹配确信所要求的探头与所用示波器的输入电阻和电容匹配。50Ω示波器输入要求50Ω探头;1 MΩ示波器输入要求1 MΩ探头。此外,还要检查连接器接口的兼容性或选择所要求的合适的适配器。
5.2 与示波器带宽和上升时间匹配
选择对示波器有合适上升时间与带宽的探头。
5.3 探头的加载作用
选择低阻抗测试点,使探头的加载影响减至最小。尽管探头的输入阻抗做得尽可能高,他对被测电路始终有一定的影响。
注意:探头输入阻抗随频率反方向变化的特性。例如:带宽为50 MHz,在DC时输入电阻为10 MΩ的探头,在50 MHz时探头的输入电阻就只有约1.5kΩ。测量时,应尽可能选择最低输入电容和最高输入电阻的探头,以取得最佳的总信号逼真度。
5.4 时间延迟作用
时间延迟差必须加以考虑,特别是在相位和时间重合性测量及差分测量中。在进行延迟或时间差测量时,两探头应选用匹配好的一对,所谓匹配好实际上是指两探头的电缆要一样长,即对信号的延迟要一样,其输入电容、电阻和衰减也一样。用微调电容可以减小两者的差别(将两个探头都接到同一个有代表性的信号上,根据示波器上两波形的差别对两探头进行细致的调整,以改善共模抑制)。
5.5 对于无源探头
在更换探头或探头交换通道的时候,必须进行探头补偿调整。所有有源探头在使用前应该有至少20min的预热,有些有源探头和电流探头需要进行零点漂移调整。
5.6 接地影响
接地的做法应始终记住,特别是在高阻抗探头应用中更应注意:使用尽可能短的接地路径(最好是同轴适配器或短的接地连接器)使串联电感对探头引入的影响减至最小。
［参考文献］
［1］ 陈铁牛.电工电子技能实训指导［M］ .昆明:云南大学出版社, 2002.
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［3］ 茅中良.常用电子测量仪器使用与维修手册［M］.上海:上海科学技术出版社，1993.
［4］ 孙树藩.常用电子仪器原理与应用［M］.北京：中国计量出版社，1999.
