示波器探頭工具儀表使用說明書

探頭的原理及種類

f示波器功能的延伸

f影響測量的準確性

f不同的應(yīng)用,搭配不同的探頭

f探頭的種類：

–電壓

–電流

–光/電轉(zhuǎn)換(O/E)

–邏輯

–物理量:溫度,壓力...

基本探頭類型

電壓電流傳感器

邏輯溫度光電

轉(zhuǎn)換

無源無源無源

有源有源有源

Z0

HighZ

ACDC

HighDifferential

Voltage

Differential

探頭如何影響測量精確度

f要得到適當?shù)臏y量結(jié)果，測量附件必須跟儀表及被測物(DUT)密

切配合。須考慮的項目包括:

–被測量的信號形式(電壓、電流、邏輯、其他)；

–信號頻率(DC,Hz,kHz,MHz)；

–信號源阻抗(電阻、電容、電感)；

–待測物連接考慮(DUT及儀表)；

–儀表輸入阻抗(50ohm,1Mohm,其他)；

–儀表帶寬或上升時間。

探頭如何影響測量測量系統(tǒng)

f

VCC沒有探頭及儀表

Gain=-RC

RE

CC

RC

f0=1

探頭及儀表2πRCCC

Vf有探頭及儀表

INR

PCP

Gain=-(RC||RP)

R

ERE

1

f=

02π(R||R)(C+C)

DUTCPCP

NOTE:VCC為交流接地

探頭帶寬v.s.系統(tǒng)帶寬

f示波器的測量中，探頭是必備的，所以探頭帶寬亦會影響測量

結(jié)果，其上升時間影響公式如下：

222

測量值上升時間=(信號上升時間)+(示波器上升時間)+(探頭上升時間)

f由于帶寬和上升時間成倒數(shù)關(guān)系故其帶寬公式如下：

222

1?1??1??1?

=??+??+??

測量帶寬?信號帶寬??示波器帶寬??探頭帶寬?

f由此式也可看出，示波器及探頭的帶寬越寬，則對測量帶寬的

影響越小，也就是說測量帶寬越接近信號帶寬。

系統(tǒng)帶寬v.s.正弦波振幅

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

信號頻率/

100

系統(tǒng)帶寬3%

}97.5

95

92.5測量到的

示波器帶寬為90信號振幅

87.5/

正弦波信號頻率

85實際信號

10

的倍時，有82.5振幅

最佳的振幅精確80

度。

要測量到誤差77.5

小于3%的正弦波75

72.5

振幅,系統(tǒng)帶寬70.7-3dB

最少需為正弦波

信號頻率的示波器帶寬等于正弦波

3倍。信號頻率時，振幅測量

誤差會達30%或3dB以

上。

探頭輸入電容及信號源阻抗

~

tr~2.2(Rs*Cin)

探頭CC=100pF~220ns(1X探頭)

Rs=1k?電容負載inin~

使上升時間tr

tr=3ns10M?

CIn增加

Cin=10pF~22ns(10X探頭)

VsourceLGroundLead~

100%100%

90%90%

10%10%

0%0%

z1X被測探頭的上升時間波形z10X被測探棒的上升時間波形

探頭輸入阻抗

Input

Impedance

100M

10M10XPassive10XPassive

10pF/10M?probeloading

1Mgoesto159?

at100MHz

100k

10kActive

1.0pF/1M?

1k

100

Zo1XPassive

10

0.15pF/500?100pF/1M?

1

1001k10k100k1M10M100M1G10G

Frequency

探頭接地線的電感效應(yīng)

f電感效應(yīng)造成阻抗不匹配，帶寬越寬影響越大。

f接地線的長短會影響電感效應(yīng)的大小，結(jié)果會產(chǎn)生脈沖信號的振蕩

探頭

Rs=50?

t=1ns

Vsourcer10M?

CIn

LsourceLGroundLead

10pF

0.5-1μH(Ls+Lg)接地線

等值電感

一個10X被測探頭Cin=10pF及

6英寸接地線的等效線路左側(cè)等效線路的探頭所造成的振蕩

典型6英寸接地線探頭1

==50-70MHz或tr=7-5ns

所造成的的振蕩頻率2πLC

探頭接地線的電感效應(yīng)

電源線直接連接BNC探頭連接1”接地線

3”低阻抗接地線6”接地線未接接地線

探頭傳輸延遲

測量時序、功率、及延遲時重要的考慮

f典型的探頭延遲范圍在4ns到8ns。

f不同的探頭會造成不同的延遲，需用示波器“deskew(抗歪斜)”

的功能來消除探頭的延遲。

f同型探頭間的延遲應(yīng)越小越好，典型的應(yīng)在200ps之內(nèi)。

被測探頭的低頻(LF)補償

C1

被測電路8-12pF探頭示波器

Rsource探頭9M500

探頭電纜R31M

VR1C2

source8-10pF/ftC3R2

L1.5ns/ft20pF

GroundLead7-50pF

6feet

被測探頭的低頻(LF)補償

正確補償過補償欠補償

1ms/div1ms/div1ms/div

1us/div1us/div1us/div

50kHz50kHz50kHz

理想電壓探頭

f理想的電壓探頭模型

f理想的探頭是沒有負載效應(yīng),也就是不對測量造成任何影響。

電纜

Rin=∞

Cin=0

f帶寬無限大

f輸入電容為0

帶寬=∞

f輸入電阻無限大

f動態(tài)范圍無限大(DynamicRange)

f1:1衰減

f無延遲

f無相位偏移(PhaseShift)

f機械結(jié)構(gòu)適合測量應(yīng)用

典型的電壓探頭規(guī)格

型式帶寬上升時間輸入電容輸入電阻

1X無源探頭15MHz23ns100pF1M?

100MHz-3.5ns-13pF-

10X10M?

無源探頭500MHz700ps8pF

3GHz-120ps-1pF-

Z0無源500?

探頭9GHz40ps0.15pF

500MHz-700ps-2pF-10M?-

有源探頭

4GHz100ps0.4pF100k?

1X電壓探頭–無源

被測電路探頭示波器

探頭尖

Rsource

探頭電纜1M?20pF

Vsource8-10pF/ft*

1.5ns/ft

LGroundLead

6feet

優(yōu)點:缺點:

z1X沒有衰減z高反射量

z價格便宜z輸入電容太大

z低帶寬

*典型50?電纜約有30pF/ft的電容量

10X電壓探頭–無源

C1

被測電路8-12pF探頭示波器

Rsource探頭尖9M?500?

探頭電纜R31M?

VR1C2

source8-10pF/ftC3R2

L1.5ns/ft20pF

GroundLead7-50pF

6feet

:

優(yōu)點缺點:

z高輸入電阻

z輸入電容仍太高

z寬動態(tài)范圍

z跟50?系統(tǒng)不兼容

z價格合理

z必須進行補償

z機械結(jié)構(gòu)堅固

z比1X探頭的輸入電容低

50?10X電壓探頭–無源

被測電路探頭示波器

450?

0.5pF

Rsource

V探頭電纜50?

source探頭尖50?

LGroundLead

6feet

優(yōu)點:缺點:

z低輸入電容z低輸入阻抗

z寬動態(tài)范圍z必須有50?的終端

z加上終端電阻與50?及1Μ?

系統(tǒng)兼容

z無需補償

10X電壓探頭–有源

被測電路探頭示波器

6feet

R探頭尖

source緩沖放大器探頭電纜50?

Vsource

R

Lt

GroundLead50?

優(yōu)點:缺點:

z低輸入電容z高價位

z高輸入電阻z動態(tài)范圍有限

z加上終端電阻與50?及1Μ?z機械結(jié)構(gòu)較不堅固

系統(tǒng)兼容z須額外電源

z無需補償

何時使用差分電壓探頭

f不以接地電為參考點

–浮地(Floating)測量

–平衡(Balanced)信號

f接地點并不是很好的參考點時

–低振幅(<10mV):接地點噪聲信號大于信號振幅

–高速度(tr<2ns):接地點離信號點太遠

共模及差模

f共模(CommonMode)電壓Vcm及共模增益Acm:

–兩個輸入端對地的電壓差為Vcm，經(jīng)過差模放大器后的增益為Acm

f差模(DifferentialMode)電壓Vdm及差模增益Adm:

–兩個輸入端間的電壓差為Vdm，經(jīng)過差模放大器后的增益為Adm。

+

差模電壓

VdmAdmVo

_

共模電壓

Vcm

共模抑制比(CMRR)

fCMRR(CommonModeRejectionRatio):

差模增益Adm與共模增益Acm的比值，即：

CMRR=Adm/Acm

或

dB(CMRR)=20log(Adm/Acm)

若Acm趨近于零，則CMRR趨近無限大，代表一理想的差分放大器

所以針對差分探頭而言CMRR值越大越好。

CMRR為什么重要

f差分探頭的CMRR規(guī)格若不好，則共模電壓會加入差模電壓內(nèi)，

造成測量上的誤差，下面為一實例。

+350伏實例:

“A”

VCM=+/-350V(700VPP)

“B”

VDM=+/-5V(10VPP)

輸出CMRR=200:1

CMerror=700/200=3.5VPP

=35%的誤差

-350伏

CMRR的規(guī)格

4CMRR值越大越好一般在60dB(1000:1)附近

4隨著頻率增加CMRR會逐漸減小。

CMRR

Freq.

+

A

-

越快的邊沿會產(chǎn)生更多的共模電壓

電壓探頭–差分

+

DIFFVout+V

Vout

inAMPVin

-

-

被動式主動式

f無源差分探頭必須將兩支探頭的延遲、衰減、及補償，做精確的調(diào)校。

f假如沒有做精確的調(diào)校，CMRR將會嚴重的下降。

f有源差分探頭由于有OP放大器做緩沖，因此不須要做這些調(diào)校。

電壓探頭–無源差分

探頭示波器

+

差分放大器

_

典型的CMRR

10,000:1@DC

100:1@20MHz

優(yōu)點:缺點:

z比無源探頭的CMRR高z須要兩個不同的輸入

z寬動態(tài)范圍z與50?系統(tǒng)不兼容

z機械結(jié)構(gòu)堅固z須補償

z兩支探頭可以作較遠的分離

電壓探頭–有源差分

探頭示波器

+示波器通道1

_Amplifier(放大器)

VOUT

優(yōu)點:缺點:

z低輸入電容z高價位

z比無源差分探頭的CMRR高z有限的動態(tài)范圍

z與50?及1Μ?單端(Single-z須額外的電源

ended)系統(tǒng)兼容

z探頭尖非常小

電流探頭的特性

f探頭的交流反應(yīng)，依據(jù)變壓器的動作，將電流轉(zhuǎn)為電壓。

f直流測試，須在變壓器上加一霍爾效應(yīng)(HallEffect)感應(yīng)器

f兩種型式可用:

–固定核心(FixedCore)–須要打開導(dǎo)體(conductor)來連接。

–分離核心(SplitCore)–允許直接附在導(dǎo)體上(clippingaround)。

f以極低的嵌入阻抗(Lreflected&Rreflected)，使DUT的電容性負

載達到最小。

f提供電子絕緣，允許無參考地點測量。

電流探頭–無源

被測電路探頭示波器

Vsource

Rsource

電纜1M?/

50?5050?

Lreflected歐姆

18inches50?

R

reflected電磁屏蔽

優(yōu)點:缺點:

z寬的AC帶寬z只能測量AC

z價格不貴z固定核心須要打開導(dǎo)體連接

z提供電子絕緣z直流電使核心飽和

z低DUT負載

(Rreflected典型1to2?

Lreflected典型5μH)

電流探頭–有源

Lreflected探頭示波器

高頻

放大器

1M?/

50?50?

Rreflected50?

低頻

放大器

HallBias(

霍爾偏置）

優(yōu)點:缺點:

zAC及DC測量z較貴

z與50?及1Μ?單端(Single-ended)z機械結(jié)構(gòu)較不堅固

系統(tǒng)兼容z體積較大

z提供電子絕緣z須額外的電源

z低DUT負載

(Rreflected典型<<1?

Lreflected典型<5μH)

結(jié)論

f探頭一定會給DUT帶來負載。

f無源探頭一定要進行補償。

f系統(tǒng)帶寬包括示波器、探頭及被測信號。

f精確的測量工具的系統(tǒng)帶寬最好是待測信號的3到5倍。

f盡可能使用低輸入電容及短地線。

f使用正確的連接方式接觸測試點。

探頭的原理及種類

SeniorApplicationEngineer:周