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好马配好鞍,为什么说探头如此重要!

本文将讨论探头作为示波器测量链中第一个环节的重要性。由于相对简单,无源探头一般是最坚固、最经济,也是使用最广泛的探头。通用无源探头的优势在于坚固耐用,而不是性能。这种矛盾性长期以来一直存在着,因为这些探头主要被用来观察低速信号。有源探头的带宽一般为 1 GHz以上,测量的电压低于10 V(部分泰克探头可以高达 40 V),缺少无源探头的强健性。无源探头的带宽一般在 500 MHz 以下,测量几百伏的电压,坚固耐用。

 

        无源探头的这种局限性(特别是在 1 GHz 系统上),迫使用户不得不购买有源探头。仅探头与示波器匹配要求一项,就导致市场上出现大量的基本探头。然后,必需使用不同的探头满足不同的测量需求,又明显提高了探头数量和投入成本!

 

        泰克新 TPP1000 和 TPP0500 探头弥补了传统无源探头与性能更高、价格也更高的有源探头之间的空白。泰克是唯一在 1 GHz上把探头带宽与示波器探头带宽匹配起来的厂商。但是,不要被使用简单或结构简单所愚弄,优质无源探头很少有设计简单的!

 

        由于标配无源探头主要用来观察信号,大多数用户会把一条长探头地线连接到接地上。通过使用长地线,可以更简便地在电路板周围,把探头移动到各个测试点,而不必连接和重连接地。短接地弹簧提供了最佳性能,但接地可能不会一直位于弹簧的到达范围内。长地线长 6 英寸(含)以上,可以更简便地获得接地连接,但长地线增加了电感,降低了性能。随着地线长度提高,测量中增加的电感也会提高。电感和电容与频率有关,在探头电感和电容提高时,探头性能会下降。例如,连接 6 英寸地线的探头实现的性能和精度都要高于连接12英寸地线的相同探头。

         可以采用多种方案,解决地线导致的性能问题,如使用更短的地线,或找到输入电容较低的探头。TPP1000 和TPP0500 在探头尖端提供了<4 pF 的输入电容,而其它标配无源探头产品提供的输入电容≥9.5 pF。泰克的这些无源探头,允许用户可以连接更长的地线,而不会因探头输入电容较高而导致信号劣化。图1 说明了泰克与其他厂商标配无源探头在连接长探头地线时的阶跃响应。增加长探头地线对性能的影响非常大。探头的上升时间下降,输入信号出现振铃、过冲提高、幅度精度下降。TPP1000和TPP0500使得用户在观察信号时可以方便地使用更长的探头接地,而不会出现明显损耗,如性能和精度下降。
 

图1. 连接长地线的标配无源电压探头的上升时间

 

        无源探头在探头尖端的输入电容和输入电阻指标非常重要,因为它影响着被测电路。在外部设备(如探头)连接到测试点上时,它会表现为信号源从电路吸收的电流上产生额外的负荷。这种负荷或吸收的信号电流会改变测试 点后面的电路操作,改变测试点上看到的信号。理想的探头应该有无穷大的阻抗,但这是不可能的,因为探头必须吸收一定少量的信号电流,以在示波器输入上积累信号电压。探头将一直感应部分信号源负荷,挑战在于使其保持在尽可能低的水平。

        问题最大的负荷是由探头尖端的电容引起的。对低频,这种电容拥有非常高的电抗,对被测电路影响很小或没有影响。在频率提高时,电容电抗会下降,频率越高,电容负荷越高。通过降低带宽,提高上升时间,电容负荷会影响测量系统的带宽和上升时间特点。TPP1000 和TPP0500提供的输入电容明显要低于现有的高阻抗通用无源探头。这些探头在探头尖端的输入电容<4 pF,明显低于非泰克探头中提供的≥ 9.5 pF 的输入电容。图2 是泰克TPP1000与其他厂商标配无源探头的探头负荷对比结果。

  图2. 探头负荷对标配无源电压探头的影响

 

       白色曲线是输入信号波形,其它曲线显示了在探头连接 到测试点上时参考波形的变化情况。要记住,这个图中 显示的波形并不是探头的输出,而是显示了探头对测试 点上的信号的影响。蓝色曲线显示了 TPP1000 对源信号 的负荷影响最小,因为它与参考波形接近程度最高,对上升时间影响最小。非泰克探头新增的输入电容对性能 和精度都有影响。如上所述,电容电抗在较高频率上下降,电容负荷的影响随着频率提高而加大。探头电容越高,在更高频率上的负荷越大,这也就是为什么力科和 安捷伦负荷信号前面有一个圆角,前沿是方波高频成分所在的位置。在探测更快速的信号时,非泰克探头会更明显地使源信号失真,降低测量精度。

 

        此外,在连接到兼容的泰克示波器(MSO/DPO5000 和MSO/DPO4000B系列)时,TPP1000和TPP0500能够自动进行低频和高频补偿。不管是低频补偿还是高频补偿,TPP1000或TPP0500所需的时间都要低于手动调节标配无源探头进行低频补偿所需的时间。

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