示波器探头基础入门指南(下)

作者:聂文伟 Oscilloscope.China@rohde-schwarz.com,“ScopeArt先生”团队成员

在《示波器探头基础入门指南(上)》一文中,我们主要介绍了示波器探头的种类及其工作原理,接下来我们将介绍示波器探头的主要指标,如何选择示波器探头,以及在示波器探头的使用过程中应该注意哪些问题。

2 示波器探头的主要指标

2.1 带宽

与示波器一样,示波器探头的频响类似一个低通响应。探头的带宽是指探头响应输出幅度下降到70.7%(-3dB)时对应的输入信号频率。

图1探头频响及带宽定义

当示波器配合探头使用时,示波器+探头就构成了一套测量系统,此测量系统的带宽满足以下公式:

可见,探头带宽越高,对示波器带宽的影响也就越小。一般我们推荐示波器探头的带宽为示波器带宽的1.5倍,即探头带宽略高于示波器带宽。

2.2 上升时间

探头的上升时间是指探头对阶跃函数10%-90%的响应时间。一般而言,探头带宽越高,上升时间越短。

与示波器一样,大多数探头的带宽与上升时间满足0.35公式,即:

Trise = 0.35/BWprobe

示波器+探头测量系统的上升时间则满足以下公式:

2.3 输入阻抗

探头一般都标注了输入阻抗值,从50Ω至10MΩ甚至更高。探头的输入阻抗会严重影响探头的负载效应(将在第三节中详述)。输入阻抗越大,探头的负载效应越小,对待测电路正常工作影响也就越小。输入阻抗越小,探头的负载效应越大,对待测电路正常工作的影响就越大。

2.4 输入电容

输入电容是有源探头的一项关键指标。有源探头的输入电容一般很小,小至pF甚至零点几pF。小的电容会在高的频带上提供较大的输入阻抗,从而减小负载效应。由输入电容导致的输入阻抗公式如下:

Rin = 1/2πfCin

由以上公式可知,Cin越小,探头可以支持更高的带宽f,这也是为什么有源探头相对于无源探头而言可以提供更大的带宽的原因。

2.5 衰减比

一般探头都会对探测到的信号进行衰减,然后输送至示波器。最常见的衰减比为10:1,即信号衰减为原始的十分之一,此时衰减比标注为10X。此外,常见的还有1X、100X、1000X探头等。

2.6 最大输入范围

探头都有最大输入范围,超过一定输入范围则可能损坏探头。

3 示波器探头使用注意事项

3.1 负载效应

探头的负载效应是指被测电路接上探头后,探头与示波器一起组成了待测电路的并联负载,从而吸引一部分电流流入示波器,对原始待测电路上的信号产品影响。如果负载效应很大,则测到的波形与原始波形变化很大,示波器就不能准确测量波形。

图2示波器探头接入引起负载效应

那么如何评判探头的负载效应呢?一般来说,探头接入的输入阻抗应为待测电路待测点处输出阻抗的10倍以上,此时负载效应较小,测量误差在允许范围以内。

如下图所示:

图3负载效应示例

在探头探测前,探测点的电压为5V × 100KΩ/(100Ω+100KΩ)=4.995V。探头探测后,并联了一个1MΩ的阻抗,此时探测点的电压为:

5V × (90.9k)/[100+(90.9k)] = 4.994V
      
此时,探头引入的负载效应仅为0.001V,可以忽略不计。如果待测点的输出阻抗更高,则需要使用更高输入阻抗的探头。

值得一提的是,当我们测试由信号源输出的射频信号时,一般使用的是50Ω传输线缆。50Ω的传输线缆与信号源输出阻抗(50Ω)相匹配,使功率最大的传输至示波器,从而保证了测量精度。

而在某些时候,工程师希望测试电路板上某个探测点处的频谱,往往使用剪断的50Ω传输线缆,在剪断处剥离地和传输芯,用以接触探测点。线缆另一端则连接至频谱仪。

图4前段剥离的50Ω传输线缆

这种做法则是不可取的,电路板上的探测点与射频源的输出不同,由于传输线的50Ω低阻抗,会对测试点处引入较大的负载效应。正确的做法是,使用高输入阻抗的探头取代50Ω传输线缆,与频谱仪连接。

R&S提供了RT-ZA9的BNC-N转接头方案,它可以将高输入阻抗的R&S有源探头(1MΩ)与频谱仪或接收机相连接,对需要高阻抗测试的DUT进行精准测量。

图5 RT-ZA9转接头示意图

前面介绍过,探头一般含有电阻、容性阻抗和感性阻抗。电阻的负载效应会对信号DC分量测量造成影响,对波形的幅度测量造成误差。容性阻抗对AC分量的测量造成影响,比如会影响(延缓)信号的上升时间。感性阻抗则会对波形测量引入振铃现象。

图6探头负载效应分类

3.2 探头补偿
      
我们在与电子测量工程师的交流中,经常提到探头补偿的问题。当我们购买示波器后第一次使用时,或者因探头资源紧张而临时拿其他品牌探头使用时,都会涉及到探头补偿问题。

所谓探头补偿是指示波器与探头连接使用时,调整探头的可变电容,在探头与示波器之间进行频率补偿,使频率达到相对稳定的状态。当补偿完成后,具备如下关系式:

Rscope × Cscope = Rprobe × Cprobe

即:为了最大限度地传送信号,示波器的输入电阻和电容必须与探头输出的电阻和电容相匹配,此时探头具有最优信号传送能力。

那么如何进行探头补偿呢?

探头补偿一般针对无源探头而言(有源探头也存在补偿),使用过无缘探头的工程师可能会发现,在无缘探头与示波器接触的一端上有一个小孔,这个小孔内有一个十字旋钮。通过探头自带的螺丝刀小工具即可深入小孔内调节探头的可调电容值。

图7调节无源探头的可调电容值

具体原理如下图所示:

图8通过调节探头可调电容Ccomp来实现探头匹配

探头补偿的步骤如下:

•     连接探头与示波器通道;

•     将探头前端连接至示波器上的探头补偿Π方波信号(一般为1KHz、1V的信号);

•     使用自带小工具调节探头可调电容,使得示波器上显示的方波信号的高低电平部分保持平稳,即实现探头与示波器的匹配。

在调节探头时,示波器上显示的方波信号可能存在以下三种状态:

图9探头欠补偿、过补偿、匹配状态的波形

3.3 谐振效应

在使用探头测量信号上升沿时,把示波器的时基范围调小,一般能看到在上升沿的过冲部分存在振铃现象,即探头带来的谐振效应。

图10探头带来的振铃效应

探头不仅存在阻抗以及寄生电容,还存在寄生电感(特别是在测试高频信号时)。探头是由导线和地线组成的,通常导线及地线越长,电感值就越大。探头上的寄生电感和寄生电容容易形成谐振回路,在输入信号的激励下,在某些频率上产生高频减幅谐振,从而出现振铃现象。

图11振铃现象的产生

如下图所示,探头的输入阻抗会在特定频率fx处达到最小值。

图12探头输入阻抗

此时探头的寄生电感、寄生电容以及待测信号源构成谐振回路,出现谐振效应,谐振频率为:

其中,Lcon为探头寄生电感,Cin为输入电容。如果谐振频率刚好落在探头带宽范围之内,则在测试此频率的信号时会出现谐振现象。

为了降低这种效应,使用者往往使用最短的地线,从而减小探头的Lcon寄生电感,使得fresonance谐振频率最大化,从而超出示波器探头的带宽范围,也就进一步有效避免了谐振效应。

探头地线的长度严重影响谐振效应,以下图片充分说明了地线长短对波形上升沿测量的影响。

图13不同长短的底线的谐振效应

由图示可知,地线越短,谐振效应越小,上升沿引起的振铃现象越不明显,此时的测量精度也就越高。所以,在测试环境允许的情况下,尽可能地使用更短的地线。

3.4 浮地测量问题
      
测量差分信号时,我们往往面临以下3种选择:

•     使用两个通道CH1、CH2,分别测试差分信号两端,然后相减;

图14使用两个单端探头测量差分电压

•     使用差分探头测试;

图15使用差分探头测量差分电压

•     直接使用单端探头浮地测量;

图16使用浮地的方法测量差分信号

第1种方法需要两个通道及探头之间的完全一致性。即便如此,两个通道上产生的不同噪声也会对测量结果造成影响,此种方法测试的CMRR共模抑制比很差,不作推荐。

第2种方法是最值得推荐的方法,使用差分探头具有高CMRR(在《示波器探头综述(上)》有记载),测得数值精确。

然而,差分探头往往价格昂贵,并非所有客户愿意花重金采购。因而就有了第3种方法,使用单端探头对差分信号直接进行浮地测量。

差分信号两端一正一负,如果要使用单端探头进行探测,往往将单端探头的地端与差分信号的负端相接。而单端探头接上示波器后,探头地线会与示波器电源地线共地,从而将差分信号的负端拉至地,对原始差分信号有影响。因此,有人想到浮地测量的方法,即将示波器电源地线剪断,使示波器浮地。

浮地测量在电源测试中可能会造成触电危险,因为有些差分电压的负端高达负的上百上千伏。在测试过程中,如果人手不小心触碰到示波器其他通道的BNC接地壳,则会触电!因此,浮地测量不是推荐的测量方法。

图17浮地测量带来触电危险

除了以上3种常见测量方法之外,还可以使用通道隔离的示波器,或者使用隔离电源对示波器供电的方法。在此就不作详述了。

3.5 其他品牌探头兼容性问题
      
我们在日常使用示波器时经常出现原始匹配探头丢失或损坏的情况。此时,能够解决问题的办法通常是拿手头上其他品牌的探头临时配合示波器使用。很多人不了解具体情况,插上示波器探头就开始测试,这样往往测得的数值存在很大偏差,是不可取的!

并非不同品牌示波器和探头不能配合使用,实际上,目前市面上绝大多数品牌示波器的无源探头均具备统一的BNC接口,可以与其他品牌示波器配合使用。但是在正式测量之前,有几点需要注意。

首先,一般示波器无法自动识别其他品牌探头的衰减比(衰减因子),所以在与其他品牌探头一起使用时,需要在示波器上手动设置探头衰减比,这样才能防止测量值偏差10几倍甚至上千倍的错误。

其次,不同品牌的示波器和探头之间同样存在不匹配问题,即前面所述探头补偿问题。所以,在测试之前,需要对探头进行补偿。

此外,不同厂家的有源探头(包括有源单端、有源差分、部分电流探头等)甚至部分无源探头设计为独特接口标准。针对此类探头,有时可采用不同的转换接头使用,如R&S为有源探头提供的BNC转N型的RT-ZA9转接头等。而大多数不具备转接头的探头则无法与其他品牌示波器通用。

--------------------------------------------------完----------------------------------------------------------

博主
215258639@qq.com
示波器的艺术
准确测量、快速测量、愉悦测量、多角度分析与测量——示波器的艺术! 诚邀您参与http://www.rohde-schwarz.com.cn/index.php?id=618