選擇示波器探頭時(shí)常犯的錯(cuò)誤（下）

前面我們講了關(guān)于選擇示波器探頭的常犯3點(diǎn)錯(cuò)誤，那么除了前面講的那些問題點(diǎn)外，我們還需要注意選擇示波器探頭時(shí)常犯的錯(cuò)誤呢？下面西安普科科技小編和大家講講：

1、沒有考慮到探頭負(fù)載效應(yīng)

探頭一旦與示波器連接并與器件接觸，它就成為電路的一部分。問題是，探頭帶給器件的電阻、電容和電感負(fù)載效應(yīng)將影響您在屏幕上看到的信號(hào)。這種負(fù)載效應(yīng)是您需要考慮的重要因素。有時(shí)這種效應(yīng)很小，甚至注意不到，但如果負(fù)載效應(yīng)過大，它所改變的就不僅僅是您在屏幕上看到的內(nèi)容。它還會(huì)影響器件的工作狀態(tài)。顯然，您希望盡可能減少負(fù)載效應(yīng)?？上?，由于這是寄生的負(fù)載效應(yīng)，您將永遠(yuǎn)無法完全消除它，但對(duì)它了解得越多，就越可能幫助您減少它對(duì)器件的影響。

在圖8的基本探頭模型中，您可以看到無源探頭的電感、電容和電阻。電阻是一個(gè)分立元件，這意味著它被設(shè)計(jì)在探頭末端，以便將探頭從電路中隔離開來并盡量減小負(fù)載效應(yīng)。探頭電容是設(shè)計(jì)中的電容元器件和寄生電容共同形成的結(jié)果。

圖8.探頭基本原理圖

圖9中的圖形使得這更容易理解。注意圖形左邊，在直流頻率范圍內(nèi)，輸入阻抗約為100 kΩ。對(duì)信號(hào)來說，這看起來像是一個(gè)100 kΩ接地電阻。但是，在圖形右側(cè)的MHz區(qū)域內(nèi)，阻抗開始下降，因?yàn)殡娙莸淖杩古c頻率成反比。因此，隨著頻率變高，電容開始變得比電阻更容易接地。

圖9.電容的阻抗與頻率成反比

有源探頭的負(fù)載效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無源探頭，因?yàn)闊o源探頭僅由電阻和電容元件制成。有源探頭的負(fù)載效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無源探頭，因?yàn)闊o源探頭僅由電阻和電容元件制成。

2、不確定應(yīng)該選擇有源探頭還是無源探頭

首先我們來看一個(gè)無源探頭與有源探頭對(duì)比的示例，如圖10所示。這里對(duì)比的是阻抗和頻率。繼續(xù)考慮探頭負(fù)載效應(yīng)，大部分工程師在閱讀探頭技術(shù)資料時(shí)，關(guān)注點(diǎn)都在電阻上。他們或許會(huì)比較無源探頭的10 MΩ電阻與有源探頭的1 MΩ電阻，然后想：“無源探頭的電阻更大，這說明負(fù)載效應(yīng)更低?！钡?，他們真正應(yīng)該考慮的是我們在上面討論過的另一個(gè)重要因素，即電容。您可以比較圖10中無源探頭的9.5 pf電容與有源探頭的1 pf電容。

圖10.有源探頭和無源探頭對(duì)比

圖10底部的圖形可以幫助您直觀地理解兩種不同電容的阻抗與頻率關(guān)系差異。無源探頭的紅色跡線和有源探頭的藍(lán)色跡線會(huì)在某一點(diǎn)相交叉。兩個(gè)探頭有同一阻抗的頻率點(diǎn)為10 kHz。但是，隨著頻率升高，它們的阻抗看起來差別很大。在70 MHz時(shí)，無源探頭只有150Ω，而有源探頭為2.5 kΩ。有源探頭的阻抗高得多，這正是您想要的。較高的阻抗將減少電容負(fù)載效應(yīng)。有源探頭的阻抗高得多主要是因?yàn)槠潆娙葺^低。在這種頻率上，電容的作用要遠(yuǎn)大于電阻值的作用。因此，千萬不要忘記檢查探頭的電容技術(shù)指標(biāo)。

負(fù)載效應(yīng)在無源探頭和有源探頭之間造成的另一個(gè)重要區(qū)別是精度。要分析這種情況，最簡單的方法是使用兩種探頭來測量信號(hào)的上升時(shí)間。圖11中的綠色跡線顯示了信號(hào)不通過探頭而是使用特殊附件直接進(jìn)入示波器的情況?？梢钥吹剑盘?hào)的真實(shí)上升時(shí)間為1.1 ns。當(dāng)無源探頭與器件連接時(shí)，紅色跡線出現(xiàn)，此時(shí)上升時(shí)間測得為1.5 ns。與真實(shí)上升時(shí)間相比，偏差0.4 ns。連接有源探頭后（黃色跡線），您會(huì)發(fā)現(xiàn)上升時(shí)間測量值與實(shí)際值幾乎沒有差別。您甚至都看不到黃色跡線。由于有源探頭的負(fù)載效應(yīng)小得多，因而精度也高得多。

圖11.無源探頭和有源探頭負(fù)載效應(yīng)對(duì)上升時(shí)間的影響對(duì)比

探頭阻抗隨頻率發(fā)生變化，有源探頭的阻抗大于無源探頭的阻抗。有源探頭更精確，但也更昂貴。您可能并不總是需要高精度，因此您想評(píng)測探頭在需要處理的特定頻率范圍內(nèi)的負(fù)載效應(yīng)，從而確定其是否在測試的允許范圍內(nèi)。請記住，始終要注意探頭負(fù)載效應(yīng)的兩個(gè)關(guān)鍵屬性：電阻和電容。電阻值應(yīng)盡可能高，電容值應(yīng)較小，這樣可以獲得更小的負(fù)載效應(yīng)。

3、忘了考慮連接帶寬和負(fù)載效應(yīng)

連接帶寬

連接帶寬即探頭與被測器件之間的連接的帶寬。在許多情況下，會(huì)在探頭尖端使用附件，更方便地建立牢固連接。但是，這類附件會(huì)成為系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，給帶寬帶來限制，盡管您已經(jīng)選擇了帶寬最適合的示波器和探頭。在確定所需的帶寬和探頭附件時(shí)，必須考慮到這一點(diǎn)。

考慮圖12中的2 GHz有源探頭，從中理解負(fù)載效應(yīng)為什么是測量系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)。能夠與探頭搭配的附件有很多種。在第一個(gè)例子中，雙引線適配器和夾具抓取器連接到器件。這是一個(gè)很短的連接，所以帶寬仍然為500 MHz。如果您去掉夾具端部，只保留引線，那么連接更短，所以可以看到更好的帶寬。但是，如果將所有附件都完全移除，有可能得到最短的連接，并提供最佳帶寬（2 GHz）。

現(xiàn)在您了解了最薄弱的環(huán)節(jié)將如何改變您在屏幕上看到的測量結(jié)果。但是，實(shí)際上在很多情況下使用這樣的附件還是很有必要的，或者由于信號(hào)頻率較低，不需要太寬的帶寬，所以可以使用附件。但對(duì)于需要更大的帶寬以便看到更快上升時(shí)間的應(yīng)用，千萬不要忘記考慮連接帶寬。連接應(yīng)盡量短，才能實(shí)現(xiàn)盡量大的帶寬。

連接負(fù)載效應(yīng)

屏幕上看到的連接負(fù)載效應(yīng)值與連接帶寬平行。您可以在圖12中觀察同一個(gè)有源探頭的結(jié)果來理解負(fù)載效應(yīng)。使用引線適配器和夾具抓取器時(shí)，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)相對(duì)較低，但還是會(huì)有一些。如果完全不連接任何附件，負(fù)載效應(yīng)將降到最低。您可以看到它是如何隨附件而變化的，類似于連接帶寬。不使用任何附件時(shí)，負(fù)載將會(huì)非常小，以至于您很可能在測量中甚至不會(huì)注意到它。當(dāng)您嘗試確定哪些附件最適合您的應(yīng)用時(shí)（如果有的話），知道這個(gè)規(guī)律尤其有用。

有一個(gè)簡單的技巧可以確定您的器件將會(huì)遇到多少連接負(fù)載效應(yīng)。它的名稱是：雙探頭系統(tǒng)。其理論依據(jù)是在設(shè)計(jì)中的同一個(gè)位置使用兩個(gè)探頭，以估計(jì)一個(gè)探頭的負(fù)載效應(yīng)。基本上，使用一個(gè)探頭和兩個(gè)探頭進(jìn)行測量之間的差異與不用探頭和用一個(gè)探頭測量的差異大體相同。

1.將探頭和附件連接到被測器件

2.測量信號(hào)的上升時(shí)間，并保存屏幕上顯示的跡線，以便稍后進(jìn)行比較

3.使用相同的裝置/附件將另一個(gè)探頭連接到相同點(diǎn)。

圖12.不同的連接和帶寬效應(yīng)

您可以在示波器屏幕（圖13）上大略看到負(fù)載效應(yīng)有多大。這就是“單探頭”跡線與“雙探頭”跡線的差別?？吹竭@些信息，您就可以知道使用不同的探頭和附件將會(huì)為系統(tǒng)引入多少負(fù)載效應(yīng)。再重復(fù)一遍，探頭末端到被測器件之間的附件或連接越短，您在信號(hào)上看到的連接負(fù)載效應(yīng)就越小。

圖13.雙探頭法演示

4、低估了衰減比

探頭的另一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)是衰減比。大部分應(yīng)用需要的衰減比各不相同。您需要多大的衰減比，由要測量的信號(hào)大小決定。衰減比將決定信號(hào)如何饋入示波器，以及最終如何在屏幕上顯示。我們退一步來思考為什么要使用不同的衰減比。示波器是非常靈敏的儀器，只能在一定的電壓范圍內(nèi)工作，以防止受到損壞。如果您正在處理較大的電壓，則需要通過分壓將電壓降低到示波器的安全電壓范圍內(nèi)。分壓值就是衰減比，不同的信號(hào)和應(yīng)用需要采用不同的衰減比。

如果您正在處理較高的電壓，則需要使用較高的衰減比，比如說10:1。這意味著將探頭連接到器件時(shí)，在示波器屏幕上看到的信號(hào)將僅為器件實(shí)際輸出信號(hào)的十分之一。如果您正在處理較高的電壓，那么應(yīng)該將其縮小到原來的十分之一，以適應(yīng)ADC的范圍并正確進(jìn)行處理。如果您正在處理小電壓，則需要使用較小的衰減比，例如1:1探頭。這樣可以盡量充分利用ADC，讓您更準(zhǔn)確地查看小信號(hào)。如果使用類似1:1探頭這樣的器件來測量大電壓，則信號(hào)會(huì)被削波，并且無法在屏幕上查看整個(gè)信號(hào)。衰減比可以從低電壓應(yīng)用時(shí)的1:1一路升高到高電壓應(yīng)用時(shí)的1000:1。不同的衰減比各有優(yōu)缺點(diǎn)，但再次重申一遍，這要根據(jù)信號(hào)的大小來決定。使用較高的衰減比會(huì)從示波器放大器引入更多噪聲，而使用較低的衰減比意味著噪聲較少，但同時(shí)也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生更大負(fù)載效應(yīng)，有用頻率范圍也顯著降低。

圖14.將同一個(gè)信號(hào)輸入兩個(gè)通道，縱軸設(shè)置為5V/格，您可以看到10:1探頭（黃色跡線）與1:1探頭（綠色跡線）之間的差異。

了解探頭和示波器技術(shù)指標(biāo)有助于您更好地理解衰減比。以圖15中的10:1探頭原理圖為例。這種探頭通常是示波器的標(biāo)配探頭。它將一個(gè)9 M?的探頭末端電阻與示波器的1 M?輸入阻抗串聯(lián)。探頭末端上的電阻于是就變?yōu)?0 M?，意味著進(jìn)入示波器的信號(hào)電壓為探頭末端連接處電壓的1/10。

圖15.探頭和示波器連接原理圖

根據(jù)這些知識(shí)，您可以輕松地為應(yīng)用選擇具有適合衰減比的探頭。這完全取決于您要處理的信號(hào)電壓。

理解所有這些關(guān)鍵的探頭技術(shù)指標(biāo)，將會(huì)幫助您避免其他工程師在示波器探頭選型時(shí)常犯的錯(cuò)誤。

記住不要犯的最大錯(cuò)誤：絕對(duì)不要低估探頭的能力！否則，您所測量的信號(hào)與屏幕上顯示的信號(hào)之間會(huì)出現(xiàn)很大差異。確保您選擇的探頭符合測試中重要技術(shù)指標(biāo)的要求。

以上就是關(guān)于選擇示波器探頭時(shí)常犯的錯(cuò)誤的相關(guān)介紹，如您使用中還有其他問題，歡迎登陸西安普科電子科。

審核編輯：湯梓紅