了解示波器探頭,并不是任何探頭都適用所有這些指標(biāo)

本文按字母順序列明了各個(gè)指標(biāo)；并不是任何探頭都適用所有這些指標(biāo)。例如，插入阻抗指標(biāo)僅適用于電流探頭；其它指標(biāo) ( 如帶寬 ) 則是通用指標(biāo)，適用于所有探頭。希望本文可以幫助您更好地了解示波器探頭。

1、畸變(通用指標(biāo))

畸變是輸入信號(hào)預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會(huì)立即發(fā)生畸變，其表現(xiàn)為所謂的“振鈴”。

畸變作為最終脈沖響應(yīng)電平 ± 百分比進(jìn)行測(cè)量或指定。這一指標(biāo)可能還包括畸變的時(shí)間窗口，例如：

在前30ns內(nèi)，畸變不應(yīng)超過(guò)峰峰值的±3% 或5%。在脈沖測(cè)量上看到畸變過(guò)多時(shí)，在認(rèn)為畸變是探頭故障來(lái)源時(shí)，一定要考慮所有可能的來(lái)源。例如，畸變實(shí)際上是信號(hào)源的一部分嗎？還是探頭接地技術(shù)導(dǎo)致的？

觀察到的畸變最常見(jiàn)的來(lái)源之一，是疏于檢查及正確調(diào)節(jié)電壓探頭的補(bǔ)償功能。嚴(yán)重過(guò)度補(bǔ)償?shù)奶筋^會(huì)在脈沖邊沿之后立即導(dǎo)致明顯的峰值。

2、精度(通用指標(biāo))

對(duì)電壓傳感探頭，精度一般是指探頭對(duì)DC信號(hào)的衰減。探頭精度的計(jì)算和測(cè)量一般應(yīng)包括示波器的輸入電阻。因此，只有在與擁有假設(shè)輸入電阻的示波器一起使用探頭時(shí)，探頭精度指標(biāo)才是正確的或適用的。精度指標(biāo)實(shí)例如下：

在3%范圍內(nèi)10X ( 對(duì)1兆歐±2%的示波器輸入) 對(duì)電流傳感探頭，精度指標(biāo)是指電流到電壓轉(zhuǎn)換的精度。這取決于電流變壓器線圈比及端接電阻的值和精度。使用專用放大器的電流探頭的輸出在安培/格中直接校準(zhǔn)，精度指標(biāo)用電流/格設(shè)定值百分比的衰減器精度指定。

3、安培秒乘積(電流探頭)

對(duì)電流探頭，安培秒乘積規(guī)定了電流變壓器磁芯的能量處理功能。如果平均電流和脈寬的乘積超過(guò)額定安培秒乘積，磁芯會(huì)飽和。這種磁芯飽和會(huì)導(dǎo)致在飽和過(guò)程中發(fā)生的波形部分被削掉或被抑制。如果沒(méi)有超過(guò)安培秒乘積，那么探頭的信號(hào)電壓輸出將呈線性，并保證測(cè)量精度。

4、衰減系數(shù)(通用指標(biāo))

所有探頭都有一個(gè)衰減系數(shù)，某些探頭可能會(huì)有可以選擇的衰減系數(shù)。典型的衰減系數(shù)是1X、10X和100X。衰減系數(shù)是探頭使信號(hào)幅度下降的程度。1X探頭不會(huì)降低或衰減信號(hào)，而10X探頭則會(huì)把信號(hào)降低到探頭尖端幅度的 1/10。探頭衰減系數(shù)允許擴(kuò)展示波器的測(cè)量范圍。例如，100X探頭允許測(cè)量幅度高出100倍的信號(hào)。

1X、10X、100X 這些名稱源于以前示波器不會(huì)自動(dòng)傳感探頭衰減及相應(yīng)地調(diào)節(jié)標(biāo)度系數(shù)。例如，10X名稱提醒您所有幅度測(cè)量結(jié)果都需要乘以10。當(dāng)前示波器上的讀數(shù)系統(tǒng)自動(dòng)傳感探頭衰減系數(shù)，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)標(biāo)度系數(shù)讀數(shù)。電壓探頭衰減系數(shù)使用電阻電壓分路器技術(shù)實(shí)現(xiàn)。結(jié)果，探頭的衰減系數(shù)越高，輸入電阻一般也越高。另外，分路器效應(yīng)會(huì)分隔探頭電容，衰減系數(shù)越高，有效表示的探頭頭部電容越低。

5、帶寬(通用指標(biāo))

所有探頭都有帶寬。10MHz探頭有10MHz的帶寬，100MHz探頭有100MHz的帶寬。探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)導(dǎo)致輸出幅度下降到70.7%(-3dB)的頻率。

還應(yīng)指出，某些探頭還有低頻帶寬限制。例如，這適用于AC電流探頭。由于其設(shè)計(jì)，AC電流探頭不能傳送DC或低頻信號(hào)，因此，必須使用兩個(gè)值指定其帶寬，一個(gè)值用于低頻，一個(gè)值用于高頻。

對(duì)示波器測(cè)量，真正擔(dān)心的問(wèn)題是示波器和探頭的綜合總帶寬。這種系統(tǒng)性能最終決定著測(cè)量功能。遺憾的是，把探頭連接到示波器上會(huì)導(dǎo)致帶寬性能出現(xiàn)一定程度的下降。例如，結(jié)合使用100MHz通用探頭和100MHz示波器時(shí)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)的帶寬性能略低于100MHz。為避免整體系統(tǒng)帶寬性能不確定性，泰克指定了無(wú)源電壓探頭，以在與指定的示波器型號(hào)使用時(shí)在探頭尖端上提供規(guī)定的測(cè)量系統(tǒng)帶寬。

在選擇示波器和示波器探頭時(shí)，要認(rèn)識(shí)到帶寬在許多方面影響著測(cè)量精度。

在幅度測(cè)量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會(huì)變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會(huì)作為實(shí)際幅度的70.7% 進(jìn)行測(cè)量。因此，為實(shí)現(xiàn)最大的幅度測(cè)量精度，必需選擇帶寬比計(jì)劃測(cè)量的最高頻率波形高幾倍的示波器和探頭。

這同樣適用于測(cè)量波形上升時(shí)間和下降時(shí)間。波形轉(zhuǎn)換 ( 如脈沖和方波邊沿 ) 是由高頻成分組成的。帶寬極限使這些高頻成分發(fā)生衰減，導(dǎo)致顯示的轉(zhuǎn)換慢于實(shí)際轉(zhuǎn)換速度。為精確地測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間，使用的測(cè)量系統(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構(gòu)成波形上升時(shí)間和下降時(shí)間的高頻率。最常見(jiàn)的情況下，這使用測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間指明，上升時(shí)間一般應(yīng)該比要測(cè)量的上升時(shí)間快 4-5 倍。

6、電容(通用指標(biāo))

一般來(lái)說(shuō)，探頭電容指標(biāo)是指探頭尖端上的電容。這是探頭在被測(cè)電路測(cè)試點(diǎn)或被測(cè)器件上的電容。探頭尖端電容非常重要，因?yàn)樗绊懼鴾y(cè)量脈沖的方式。低頭部電容最大限度地降低了進(jìn)行上升時(shí)間測(cè)量的誤差。此外，如果脈沖的時(shí)長(zhǎng)低于探頭 RC 時(shí)間常數(shù)的五倍，會(huì)影響脈沖的幅度。

探頭還對(duì)示波器輸入表示電容，這只探頭電容應(yīng)與示波器電容相匹配。對(duì)10X和100X探頭，這一電容稱為補(bǔ)償范圍，它不同于頭部電容。對(duì)探頭匹配，示波器的輸入電容應(yīng)位于探頭的補(bǔ)償范圍內(nèi)。

7、CMRR (差分探頭)

共模抑制比 (CMRR) 是指差分探頭在差分測(cè)量中抑制兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)共用的任何信號(hào)的能力。這是差分探頭和放大器的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，其公式為：

CMRR = |Ad/Ac|

其中：Ad = 差分信號(hào)的電壓增益，Ac = 共模信號(hào)的電壓增益。

在理想情況下，Ad應(yīng)該很大，而Ac則應(yīng)該等于0，因此CMRR無(wú)窮大。在實(shí)踐中，10,000:1 的 CMRR已經(jīng)被看作非常好了。這意味著將抑制5V的共模輸入信號(hào)，使其在輸出上顯示為0.5毫伏。這種抑制對(duì)存在噪聲時(shí)測(cè)量差分信號(hào)非常重要。

由于CMRR隨著頻率提高而下降，因此指定CMRR的頻率與CMRR值一樣重要。在高頻上CMRR高的差分探頭要好于在低頻上相同CMRR的差分探頭。

8、衰退時(shí)間常數(shù)(電流探頭)

衰退時(shí)間常數(shù)指標(biāo)表明了電流探頭支持脈沖的能力。這一時(shí)間常數(shù)是次級(jí)電感(探頭線圈)除以端接電阻。衰退時(shí)間常數(shù)有時(shí)稱為探頭 L/R 比。L/R 比越大，在幅度沒(méi)有明顯衰退或下落的情況下可以表示的電流脈沖越長(zhǎng)。L/R 比越小，在脈沖實(shí)際完成前，將看到長(zhǎng)時(shí)間的脈沖衰落到零。

9、直流(電流探頭)

直流降低了電流探頭線圈磁芯的導(dǎo)磁率。導(dǎo)磁率下降導(dǎo)致線圈電感和 L/R 時(shí)間常數(shù)下降，進(jìn)而會(huì)降低低頻的耦合性能，及導(dǎo)致低頻電流測(cè)量響應(yīng)丟失。某些AC 電流探頭提供了電流抵償選項(xiàng)，這些選項(xiàng)可以清空DC的效應(yīng)。

10、頻率電流額定值下降(電流探頭)

電流探頭指標(biāo)應(yīng)包括幅度與頻率額定值下降關(guān)系曲線，這一曲線把磁芯飽和與提高的頻率關(guān)聯(lián)起來(lái)。頻率提高對(duì)磁芯飽和的影響在于，當(dāng)波形頻率或幅度提高時(shí)，平均電流為零安培的波形幅度峰值會(huì)被削掉。

11、插入阻抗(電流探頭)

插入阻抗是從電流探頭的線圈(二級(jí))轉(zhuǎn)換到被測(cè)的攜帶電流的導(dǎo)線 (the primary) 中的阻抗。一般來(lái)說(shuō)，電流探頭反射的阻抗值可以位于幾毫歐范圍內(nèi)，對(duì)阻抗為 25 歐姆及以上的電路影響不大。

12、輸入電容 (通用指標(biāo))

探頭尖端上測(cè)量的探頭電容。

13、輸入電阻(通用指標(biāo))

探頭的輸入電阻是在零赫茲 (DC) 時(shí)探頭置于測(cè)試點(diǎn)上的阻抗。

14、最大額定輸入電流(電流探頭)

最大額定輸入電流探頭可以接受、同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)規(guī)定性能的總電流 (DC 加峰值 AC)。在 AC 電流測(cè)量中，必須根據(jù)頻率降低峰到峰額定值，以計(jì)算最大總輸入電流。

15、最大額定峰值脈沖電流(電流探頭)

不應(yīng)超過(guò)這一額定值，它考慮了磁芯飽和及可能損壞設(shè)備的次級(jí)電壓積累。最大額定峰值脈沖電流通常規(guī)定為安培秒乘積。

16、最大額定電壓(通用指標(biāo))

應(yīng)避免接近探頭最大額定值的電壓。最大額定電壓取決于探頭機(jī)身或測(cè)量點(diǎn)上探頭器件的額定擊穿電壓。

17、傳播延遲(通用指標(biāo))

每只探頭都提供隨信號(hào)頻率變化的部分?jǐn)?shù)量很小的時(shí)延或相位位移。傳播延遲是探頭器件及信號(hào)通過(guò)這些器件從探頭尖端傳送到示波器連接器所需時(shí)間的函數(shù)。