在工程师使用示波器进行测试工作的时候,他们大部分都只留意探头的电压范围和频率范围,对探头其他特性如等效电容、阻抗等特性没有更深刻的理解,这会导致在某些场景下没能选择正确的探头。事实上,探头作为一个连接待测点到示波器的中间环节, 它与待测设备、示波器共同组成了一个测试系统,任意一个环节变化都会引起整个测试系统的变化。
探头按照是否需要供电可分为有源探头(内置放大器,需要外部供电)和无源探头(内部都是无源器件,无需供电),按照测量信号类型可分为电压探头、电流探头、光探头等。下文主要介绍日常测试中经常使用的几种探头以及在不同的场景下对应探头的选择。
10:1无源探头
我们经常使用的是10:1高阻无源探头,它的优点是高输入阻抗,动态范围宽(一般最大可测几百伏)以及价格便宜,缺点是输入电容大且需要补偿。下图为10:1高阻无源探头原理图:
图1 10:1高阻无源探头原理
其中,C可调可以认为是线缆的电容、示波器的电容和可调电容的并联等效值。我们需要调节这个电容令R探头*C探头=R示波器*C可调,对探头进行补偿。此外,示波器内也存在寄生电容,同一个示波器的不同通道或者不同示波器的寄生电容都不一样,所以同一个探头接到另外一个通道或者另外一个示波器可能需要再次补偿。
需要注意的是:
1) 由于负载电容效应的存在,高阻无源探头的高频特性表现不是很好。因此这种探头一般适用于低频的情况,根据图1,示波器也应该选择1MΩ的输入阻抗。(部分示波器可选1MΩ和50Ω的输入阻抗。需要测高频时示波器一般选择50Ω的输入阻抗。)
2) 在10:1探头中经过分压之后示波器收到的信号只有原信号的1/10,所以示波器需要经过放大之后再显示,这种情况会把示波器本底噪声也放大。探头的1X则不同,在这个档位信号不经衰减直接进入示波器,所以示波器本底噪声也不会放大,故1X档位适用于测小信号或者电源纹波。
有源探头
有源探头有输入电容低、带宽高、输入电阻高和无需补偿等优点,缺点是成本较高、需要供电和动态范围低。
有源探头可以分为单端有源探头、差分探头(有高带宽和高压之分)和电流探头等类型。单端有源探头和差分探头的区别是单端有源探头测试的是测试点对地的参考电平,但是差分探头可以直接测两个测试点的相对电位差,不需要和“地“有联系。单端有源探头属于一种特殊的差分探头,但是它不能代替差分探头的工作,例如在进行浮地测量或者要求共模抑制能力的测试时就需要使用差分探头。
单端有源探头
单端有源探头内部有一个阻抗比较高的高带宽的放大器,需要外部供电,所以成为有源探头。它适用于需要高输入阻抗、高带宽的场景,一般能够提供1MΩ的输入阻抗和1G以上的带宽(此时需要示波器选择50Ω的输入阻抗进行匹配,但探头本身的输入阻抗还是高阻,工作原理如下图2所示)。有源探头的放大器比较接近待测电路,因此环路较小,可以减小一系列的寄生参数,带宽可以做的更高,并且可以驱动较长的线缆。但是由于动态范围不高,很容易被高压破坏,所以使用时应该注意待测电路的电压范围防止破坏价格比较高的有源探头。
图2 有源探头工作原理