示波器探头基础入门指南

科技创新实验室2020-09-15 10:54:34

示波器探头基础入门指南

示波器探头是示波器使用过程中不可或缺的一部分,它主要是作为承载信号传输的链路,将待测信号完整可靠的传输至示波器,以进一步进行测量分析。很多工程师很看重示波器的选择,却容易忽略对示波器探头的甄别。试想如果信号经过前端探头就已经失真,那再完美的示波器所测得的数据也会有误。所以正确了解探头性能,有效规避探头使用误区对我们日常使用示波器来说至关重要!

 

在绝大多数示波器测量环境下,我们都需要使用探头。示波器探头有很多种,内部原理构造迥异,使用方法也各不相同。本文主要给大家介绍示波器探头的种类及工作原理,探头使用过程注意事项以及如何选择示波器探头。

 

1、示波器探头种类及工作原理


对于DC直流或一般低频信号而言,示波器探头只是一个由特定阻抗R所形成的一段传输线缆。而随着待测信号频率的增加和不规则性,示波器探头在测量过程中会引入寄生电容C以及电感L,寄生电容会衰减信号的高频成分,使信号的上升沿变缓。寄生电感则会与寄生电容一起构成谐振回路,使信号产生谐振现象。所有这些都会对我们测量信号的准确性带来挑战。

示波器探头按供电方式分可分为无源探头和有源探头。无源探头又分为无源低压、无源高压及低阻传输线探头等,有源探头又分为有源单端、有源差分、高压差分探头等。此外,在一些特殊应用下,还会使用到电流探头(AC、DC)、近场探头、逻辑探头以及各类传感器(光、温度、振动)探头等。

无源探头是最常用的一类电压探头,也是我们在购买示波器时标配赠送的探头。


无源探头一般使用通用型BNC接口与示波器相连,所以大多数厂家的无源探头可以在不同品牌的示波器上通用(某些厂家特殊接口标准的探头除外),但由于示波器一般无法自动识别其他品牌的探头类型,所以此时需要手动在示波器上设置探头衰减比,以保证示波器在测量时正确补偿探头带来的信号衰减。

 

图3所示为日常最为常见的一类无源探头原理示意图,它由输入阻抗Rprobe、寄生电容Cprobe、传输导线(一般1至1.5米左右)、可调补偿电容Ccomp组成。此类无源探头一般输入阻抗为10MΩ,衰减比因子为10:1。

 

在使用此类探头时,示波器的输入阻抗会自动设置为高阻1MΩ。此时示波器BNC通道输入点的电压Vscope与探头前端所探测的电压值Vprobe的关系满足以下对应关系:

Vprobe/Vscope = (9MΩ + 1MΩ) / 1MΩ = 10 : 1

由关系式可知,示波器得到的电压是探头探测到电压的十分之一,这也是无源探头10:1衰减因子的由来。无源探头具备高阻抗10MΩ,因此它对待测电路的负载效应(将在第二部分详述)很小,能覆盖一般低频频段(500MHz以内),耐压能力强(300V-400Vrms),价格便宜,通用性好,所以得到广泛使用。

 

当无源探头的衰减因子为100:1、1000:1甚至更高时,此类探头一般归类为无源高压探头。由于其衰减比很大,因此能测量高压、超高压电信号。

还有一类无源探头,其衰减比为1:1,信号未经衰减直接经过探头传输至示波器,其耐压能力不及其它无源探头,但它具备测试小信号的优势。由于不像10:1衰减比探头那样信号需要示波器再放大10倍显示,所以示波器内部噪声未放大,测量噪声更小,此类更适用于测试小信号或电源纹波噪声。

无源传输线探头是另一类特殊的无源探头,其特点是输入阻抗相对较低,一般为几百欧姆,支持带宽更高,可达数GHz以上。图6为输入阻抗为500Ω的10:1

传输线探头具备低寄生电容,低输入阻抗的特性,一般用来测量高频信号。在使用传输线探头时应该注意将示波器输入阻抗设置为50Ω,以与传输线50Ω阻抗相匹配,传输线探头的典型应用为测量50Ω传输线上的电信号,通过SMA-N等不同的转换接头,传输线探头也可用在频谱分析仪等其它测试设备上。

 

需要注意的是,由于传输线探头的低阻抗,它的负载效应会比较明显。因此,此类探头仅适用于与低输出阻抗(几十至100欧姆)的电路测试。对于更高输出阻抗的电路,我们可以选择使用高阻有源探头的方案,将在后续详述。      

介绍完无源探头,我们接下来看看有源探头。顾名思义,有源探头区别于无源探头最大的特点是“有源”,即它需要提供电源才能工作。如今大多数有源探头都配备有特殊借口,通过与示波器连接从示波器获得电源,而不需要额外提供外置电源(某些型号除外)。


有源单端探头一般具备高阻抗(1MΩ上下),低寄生电容。其前端有一个高带宽的放大器,有源探头的供电主要用于此放大器。放大器驱动信号经过50Ω传输线到达示波器,示波器的输入阻抗需选择为50Ω作匹配。由于其较低的寄生电容和50欧姆传输,有源单端探头可以提供比无源探头更高的带宽,因此主要应用在高频信号的测量领域。

 

优点和缺点往往是并存的,有源单端探头亦是如此。能够测量更高带宽的信号是其优点,但由于需要集成有源放大器,因而其成本相对于无源探头来说更高,一个几GHz带宽的有源单端探头价格可达数万人民币。除此之外,由于高带宽放大器的信号输入范围十分有限,因而其动态范围有限,一般有源单端探头的动态范围仅在几伏范围之内,探头所能承受的最大电压也只有几十伏。

 

相对于前面所说的无源传输线探头,有源单端探头同样可以应用在低阻抗高频率信号的测量环境,且由于其输入阻抗相对于无源传输线探头更高,因此它的负载效应更小。不仅如此,R&S有源单端探头还可以与RT-ZA9(N型转换接头,USB供电)附件连接,进而用在射频信号源和频谱分析仪上,用来测试特殊环境下的信号,如传统50欧姆同轴线缆无法连接的探测点处,或者需要使用高阻探头探测待测点信号频谱时。

 


图10 R&S RT-ZS系列单端有源探头与RT-ZA9 N型转换头相连


 除了有源单端探头之外,有源差分探头是另外一类重要的有源探头。我们可以从字面上来理解这两种探头的区别,有源单端的前端有两处连接点:信号点和地。有源差分顾名思义主要用来测试差分信号,探头前端有三处连接点:信号正、信号负、地。


图11 有源单端探头前端(左)与有源差分探头前端(右)

 

有源差分探头的原理图如下:

 

图12有源差分探头原理图
 

与有源单端探头相比,其最大不同在于使用了差分放大器。有源差分探头同样具备低寄生电容和高带宽特性,所不同的是,有源差分探头具有高共模抑制比(CMRR),对共模噪声的抑制能力比较强。有源差分探头主要用来测试差分信号,即测试两路信号(一般为相位相差180度的正反信号)的相对电压差,与地无关。

 

 图13差分信号测试原理示意图

 

上图显示了用有源差分探头测试差分信号的原理,图中红色波形显示的为差分信号Vin+,蓝色波形显示为差分信号Vin-,二者幅度相同,相位相差180度。Vin+和Vin-经由差分探头正、负探测点探测后经过差分放大器放大,然后传输至示波器,最后得到如图绿色差分波形。

 

这里要介绍几个概念,以便大家能够更好的理解共模抑制比CMRR。

 

共模(Common Mode):差分信号两端具有相同幅度和相位的信号成分,用表达式表示为Vcm =(Vin+ + Vin-)/2.

 

由于理想的Vin+、Vin-幅度相同,相位相反,所以二者相加应该为零。但在实际工作环境下,Vin+、Vin-上会叠加上噪声干扰Vnoise。由于Vin+、Vin-所处环境相同,因而在二者上叠加的噪声也往往相同,所以由CM表达式可知:CM = Vnoise.

 

差模(Differential Mode):差分信号两端不同的信号成分,用表达式表示为Vdm = Vin+ - Vin-.

 

共模抑制(Common Mode  Rejection):差分放大器对共模信号的抑制能力,即差分放大器的一项主要能力是对Vnoise进行抑制消除。如果共模电压Vcm经过差分放大器的增益为Acm,差模电压Vdm经过差分放大器的增益为Adm,则我们可以用共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio)即CMRR来表示共模抑制能力,其表达式为:

CMRR = Adm / Acm

举例如下图:差模信号Vdm幅度为1V,经过差分放大器后幅度为2V,即Adm = 2. 共模信号Vcm幅度为4.5V,经过差分放大器后幅度抑制为0.45V,即Acm=0.1. 因此,CMRR = 2 / 0.1 = 20:1 = 26dB。

 

图14 差分信号测试举例
 

对于理想的差分放大器而言,我们希望其完全抑制共模信号,从而消除噪声Vnoise对差分信号测量的影响。对于一般的差分信号测量而言,20dB的CMRR已经足够,而R&S RT-ZD40的CMRR可达50dB,性能非常优异。


 值得一提的是,R&S的有源单端探头和有源差分探头上都配备了MicroButton多功能按钮和ProbeMeter探头计功能。其中,MicroButton是位于有源探头前段的一个微型按钮,用户可以在测试时很方便的按动按钮,从而执行对示波器的特定控制(可自定义),如:自动设置、默认设置、单次运行、连续运行等。

ProbeMeter则是集成在有源探头前端的16位DC电压计,可用来直接在探头点处测试直流电压,这与其他厂家使用探头捕获波形然后输送到示波器,进而对波形进行测量得到DC数值的方案完全不同。很显然,ProbeMeter摒除了探头传输的失真影响,从而具备了0.1%的高精准度。在使用差分探头时,可以借助此功能方便快捷查看单端、共模、差模电压数值。

 

有源差分探头可用于绝大多数较小幅度差分信号的测量,但对于幅度达上百甚至上千幅的高压差分信号而言,有源查分探头就显得力不从心了。此时我们只能借助于高压差分探头的帮忙,相对于一般差分探头而言,高压差分探头具有更高的动态范围,能够承受更高的电压。

 

高压差分探头相对于无源高压探头而言价格昂贵,因此有用户在测试高压差分信号时会选择将示波器的电源接地线剪断,使示波器“浮起来”进行测试,这是非常危险的,一定要杜绝此类行为。我们将在第二部分详细说明。

 

电流探头严格意义上说也属于有源探头的一种,几乎所有的电流探头在使用过程中都需要供电。电流探头主要分为三类:AC(仅能测试交流电)、DC(仅能测试直流电)、AC+DC。而目前大多数电流探头都具备了AC+DC的测量功能。

 

电流探头的原理如下,主要是利用电磁效应(AC测量)和霍尔效应(DC测量)。

 

当有AC电流经过导线穿过电流探头的前段闭合钳口时,会有相应磁场产生,通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。探头就象一个电流变压器,系统直接测量的是感应电流。

 

如果是DC或者低频电流,当电流钳闭合后,电流导线附近会出现一个磁场。磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转,在霍尔传感器的输出产生一个电压。系统根据这个电压产生一个反相(补偿)电流至电流探头的线圈,使电流钳中的磁场为零,防止磁饱和。系统根据反相电流测得实际得电流值。

 

电流探头的选择主要依据其测量带宽、量程以及钳口直径等。


MSO数字逻辑探头在数字逻辑测试中会经常使用,与一般8bit模拟探头相比,数字逻辑探头根据示波器所设置的判决门线电平,将捕获的电压按照0、1跳变(1bit)的数字信号在屏幕上显示出来。用户可以根据多路数字信号的逻辑电平及关系来判断逻辑电路的性能。

EMI近场探头是另一类特殊的探头类型,它实际使用了天线接收原理,用来捕获电路板上空间辐射的电磁场干扰,特别是在系统集成中做EMI电磁干扰的诊断。

除了以上给大家介绍的各种探头之外,还有光探头、温度传感探头及其他各类传感探头等。原则上来说,任何一款能够将各物理量转换成电压信号并具备与示波器互连能力的传感器都可以作为示波器探头,用户可以根据具体使用环境和需求选择适合的探头类型。


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。

 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.

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

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。

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。

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。


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。

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。


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。

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。

  

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。

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。
 

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。

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

 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;


• 使用差分探头测试;
 

•  直接使用单端探头浮地测量;

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。
 

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。



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