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示波器探头的重要性(二)

2020.9.29
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

3、上升时间

带宽指的是对单一正弦波的测量,如果需要测量的是方波,则需要考虑探头的上升时间,该参数是探头在阶跃信号激励的输入下,输出信号从10%上升至90%所需的时间。这个参数实际上是用来进行评估误差范围的。比如被测试方波信号的上升沿的上升时间为10ns,则经过一个上升时间为3.5ns的探头,最终输出的上升时间就大致为:

wx_article_20191213161629_7ZsD41.jpg

上升时间退化了5.9%。

如果此时改用0.7ns的探头,则输出的上升时间为:

wx_article_20191213161629_GEF2NZ.jpg

上升时间仅仅退化了0.24%。所以测量时,就需要尽量选择上升时间远小于被测信号上升时间的探头,一般需要3~5倍。

4、最大输入电压

最大输入电压是指探头可以输入的最大额定值的电压。最大输入电压取决于探头机身和探头内部器件的额定击穿电压。一般该项会通过一些安规规范来给出,而不是给出单一的电压,比如一般10×的无源探头的最大输入电压为300VRMS CAT Ⅱ。其中CAT Ⅱ 指的是一类测试场景,300VRMS CAT Ⅱ指的是在这类测试场景下可以测量的最大电压。而且这个电压并不是一个恒定值。而是会随着频率的变化而变化。一般探头会给出自己的电压额定曲线,如下图所示:

wx_article_20191213161629_apxo3k.jpg

图3

5、输入电容

输入电容就是从探头的探头头部端测量出的电容。对于有源探头,该电容包括探头探针的寄生电容和探头内部电路中的电容。对于一些无源探头,还要包括探头电缆的寄生电容和示波器本身的电容。该电容值越小,一般说明探头可测量的频率越高。

6、输入电阻

探头的输入电阻是探头的探头头部端测量出的电阻,该值是在DC情况下测量出来的。对于无源探头来说,衰减比例越大,探头的输入电阻越高。

7、示波器补偿范围

多数无源探头都是一种通用的设备,而在不同示波器之间,甚至在同一台示波器不同通道之间都会有所差异。探头为了兼容这些差异,就会自带一个补偿网络,用来补偿不同示波器间的差异。如果补偿不足或者补偿过度,就会导致测量结果出现错误。而这个补偿网络是一定会有一个能够调整的范围的,这个范围就是示波器补偿范围。一般的无源探头的示波器补偿范围为10~35pF。

8、电缆长度

每个探头都必须有一段探头电缆,这是为了更加方便的进行测量。而这段电缆会造成一定的信号传播延时。例如,1m左右的探头电缆,大概会有5ns的延时。对于10MHz的信号,这会造成大概20°左右的延时。电缆越长,会导致相位信号延迟越长。而这个延时一般情况下不会对测量造成影响,因为在一定带宽范围内,这个延时并不会跟随信号频率变化而变化,所以不会造成群延时的失真。只有在两个以上通道一起测量时,传输延时才会产生影响,特别是当电压探头与电流探头一起进行功率测量时,不同探头之间的延时就会造成很大的影响。所以测量之前需要根据电缆长度来推算大致的延时。如果延时过大,则需要使用示波器内的延时校准功能。

常见探头种类

常见探头分类如下图所示:

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图4 示波器探头分类

其中无源探头常见的有1×、10×、100×三种规格,一般情况下,1×探头多为低带宽探头,适用于测量低频低电压的信号,100×探头耐压值一般较高,适用于一些高压测量情景,而10×探头的带宽一般都比较高,适用于较高速信号的测量。

有源探头中,高速差分探头适用于高速信号的测量,其带宽很高,而且探头负载效益很小,但是一般都价格昂贵。高压差分探头一般适用于对高压场合的测试,与无源探头相比,不仅输入电压更高,一般都在1000V以上,而且由于其两根测量线对地阻抗都非常高,使其可以直接进行非接地测量,比如在测量市电时,无源探头的地线必须接到市电的地线上,只能测量L或者N与地线之间的电压,而高压差分探头却可以进行任意两线间的测量。电流探头用于对电流进行测量,有些电流探头只能测量交流,有些也可以进行直流测量。


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