示波器無源探頭

目錄

1示波器無源探頭的優(yōu)缺點(diǎn)2示波器無源探頭的原理分析3示波器無源探頭的校準(zhǔn)4示波器無源探頭的附件使用5示波器無源探頭的參數(shù)

1示波器無源探頭的優(yōu)缺點(diǎn)　　無源探頭一般作為示波器的標(biāo)配提供給工程師，為通用探測(cè)提供了極好的解決方案，在測(cè)量一般的信號(hào)和電平時(shí)，無源探頭使用方便，而且價(jià)格便宜，是工程師案頭的必備之選。相比有源探頭，無源探頭具有很多優(yōu)點(diǎn)：電壓動(dòng)態(tài)范圍大、物理性能和電氣性能強(qiáng)健、適合瀏覽設(shè)計(jì)。但是，由于無源探頭本身的固有特性，它也具有很多缺點(diǎn)：電容負(fù)荷大、沒有足夠的帶寬、受地線影響、探頭尖端不夠尖（且尖端容易損壞）、很難連接表面貼裝器件。對(duì)于無源探頭，工程師最頭疼的是它的電容負(fù)荷太大，工程師希望市場上能提供對(duì)被測(cè)設(shè)備影響最小的無源探頭。2示波器無源探頭的原理分析

　　圖1是工程師常用的10倍無源電壓探頭的原理圖，其中，Rp (9 MΩ)和Cp位于探頭尖端內(nèi)，Rp為探頭輸入阻抗, Cp為探頭輸入電容, R1 (1 MΩ)表示示波器的輸入阻抗，C1表示示波器的輸入電容和同軸電纜等效電容以及探頭補(bǔ)償箱電容的組合值。為了精確地測(cè)量，兩個(gè)RC時(shí)間常量（RpCp和R1C1）必須相等；任何不平衡都會(huì)帶來測(cè)量波形的失真,從來引起使一些參數(shù)如上升時(shí)間、幅度的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，在測(cè)量前需要校準(zhǔn)示波器的探頭的工作以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 從探頭的信號(hào)模型我們可以分析， 對(duì)于信號(hào)的DC量測(cè)，輸入容性Cp和C1等效為開路。信號(hào)通過Rp和R1進(jìn)行分壓，最終示波器的輸入為： Vout=[R1/Rp+R1]*Vin=1/10* Vin

　　示波器輸入信號(hào)衰減為待測(cè)輸入信號(hào)的1/10。對(duì)于較高頻率的輸入信號(hào),容抗對(duì)于信號(hào)的影響會(huì)大于阻抗。例如，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的1MΩ~10pF的無源電壓探頭，輸入信號(hào)的頻率為100MHz，此時(shí)，探頭輸入容抗為Xc(Cp) = 1/（2×π×f×C）=159Ω，容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于9MΩ的探頭阻抗，信號(hào)電流更多的會(huì)通過輸入電容提供的低阻回路，9MΩ阻抗的高阻回路等效為旁路。也可以理解為159 Ω和9MΩ的并聯(lián)之后等效阻抗為159 Ω。此時(shí),實(shí)際輸入到示波器的信號(hào)幅度(AC/高頻)是由探頭的輸入電容以及回路總電容的比值決定，等效為： Vout=[Cp/Cp+C1]*Vin

　　一般來說，無源探頭的電纜存在8-10pF/foot的容性負(fù)載（1 foot 英尺=12 inches 英寸=0.3048 metre 米），1.5nS/foot的上升時(shí)間。 對(duì)于一個(gè)6feet的電纜就存在60pF容性，加上一般示波器的20pF的輸入電容以及一些雜散，大致為90pF左右。根據(jù)1：10的分壓，探頭的輸入電容應(yīng)該為10pF左右才能滿足 Vout/Vin=[10/10+90]=1/10 輸入衰減10倍的特性。考慮到探頭和電纜容性的一些誤差,需要使用探頭補(bǔ)償電容箱來進(jìn)行一個(gè)回路補(bǔ)償，由于誤差，無源電壓探頭的輸入容性一般為8~12pF之間。目前主流的10倍無源電壓探頭的輸入負(fù)載模型一般都是輸入電容8~12pF,輸入電阻9M歐.

3示波器無源探頭的校準(zhǔn)

　　簡化探頭模型為一個(gè)更簡單的阻容分壓電路如下:

　　讓我們來進(jìn)行一個(gè)簡單的推導(dǎo)計(jì)算:

　　1.計(jì)算初始值uC2(0＋) 由于電容電壓發(fā)生躍變，要根據(jù)電荷守恒定律和 KVL 來確定

　　2.計(jì)算穩(wěn)態(tài)uC2電容開路時(shí)，按照電阻分壓公式得到

　　3. 計(jì)算時(shí)間常數(shù)

　　4.用三要素公式得到電容電壓uC2(t)

　　我們可以看到 ,波形有3種情況:

　　1.完全補(bǔ)償

　　2.過補(bǔ)償

　　3.欠補(bǔ)償

　　以下圖示給出了欠補(bǔ)償、過補(bǔ)償和合理補(bǔ)償三種情況下探頭產(chǎn)生的波形。

　　探頭欠補(bǔ)償波形圖

　　探頭過補(bǔ)償說明圖

　　探頭完全補(bǔ)償說明圖

　　所以, 在獲得一臺(tái)可以工作的示波器和探頭后應(yīng)該要做的第一項(xiàng)工作是校準(zhǔn)探頭以保證其內(nèi)部RC時(shí)間常量匹配。這時(shí)需要將探頭連接到示波器的探頭補(bǔ)償輸出。然后使用非磁性調(diào)節(jié)工具調(diào)節(jié)補(bǔ)償箱中的調(diào)節(jié)螺螺絲完成校準(zhǔn)一直觀察到平坦的波形響應(yīng)。不要太頻繁校準(zhǔn)，因?yàn)闆]有必要。

4示波器無源探頭的附件使用

　　首先從地線說起。通常探頭標(biāo)配的15cm 長的黑色的地線夾可以實(shí)現(xiàn)比較方便的地線連接，但是這么長的地線由于電感效應(yīng)在測(cè)高頻信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的振蕩，再有開關(guān)電源的場合還會(huì)耦合進(jìn)很大的噪聲。可能很多人都不知道，常用的500MHz 的無源探頭在使用這種長地線時(shí)帶寬有個(gè)200MHz～300MHz 就算不錯(cuò)了。所以如果要做高頻測(cè)量，就需要換用相應(yīng)的短地線，比如一些接地的彈簧針或彈簧片等。使用這種短的接地線所帶來的一個(gè)問題是可能探測(cè)點(diǎn)附近找不到合適的接地點(diǎn)，而再引長線的話又會(huì)增加電感，所以通過相應(yīng)的接地銅片把參考地引到探測(cè)點(diǎn)附近。由于銅片本市的橫截面積比較大，所以其電感很小，可以提供一個(gè)比較理想的地參考點(diǎn)。以下是用彈簧接地片配合接地銅片進(jìn)行測(cè)試的例子。

　　再說一下信號(hào)的探測(cè)問題。大家都知道探頭前面的探鉤拔掉后可以用前面的探針做測(cè)量，但是這個(gè)探針如果太粗的話不方便測(cè)一些高密度的管腳，而太細(xì)的話永久了又有可能會(huì)損壞。所以有些探頭還有一些探針的備件提供，可以方便用戶更換。更換時(shí)用個(gè)鉗子把原有探針拔下?lián)Q上新的就行了。

　　對(duì)于有些密度比較高的QFP 或DIP 封裝器件來說，如果想用探針直接在芯片的管腳上做探測(cè)通常是比較危險(xiǎn)的，因?yàn)樘结樣锌赡軙?huì)滑開從而造成相鄰的兩個(gè)管腳短路。針對(duì)這種應(yīng)用，有些探頭還提供了一些塑料的IC 探測(cè)頭。使用時(shí)把這些探測(cè)頭套在探頭前端，其楔形的結(jié)構(gòu)可以保證探頭尖在可靠接觸的同時(shí)不會(huì)滑開，從而避免了測(cè)量中的風(fēng)險(xiǎn)。這些IC 探測(cè)頭根據(jù)不同的芯片管腳間距用不同的顏色區(qū)分，這種測(cè)量方法可以支持的管腳間距從0.5mm 到1.27mm 不等。

　　對(duì)于板上信號(hào)測(cè)試的另一種方法是使用套筒或非常小的抓鉤。套筒比較適合與直接連接板上的插針，而套筒前面附帶的抓鉤則可以非常方便地勾在芯片的管腳或針腳上。當(dāng)然，這種方法由于使用的地線和信號(hào)線比較長，在提供方便性的同時(shí)也會(huì)影響探頭的帶寬。小的抓鉤也可以支持到最小0.5mm 的管腳間距。

　　對(duì)于一些特殊的應(yīng)用，也有相應(yīng)的探頭附件可供選擇。比如對(duì)于一些板上的關(guān)鍵信號(hào)，如果希望盡可能方便、可靠的測(cè)量，可以在實(shí)際時(shí)在PCB 上預(yù)留一個(gè)探頭的適配器。需要測(cè)試時(shí)只需要把探頭插在適配器上就行了，這樣即保證了帶寬，又方便了測(cè)量。另外如果被測(cè)信號(hào)直接可以提供同軸連接器的輸出，比如BNC接口，那還可以通過探頭的BNC 適配器和BNC 電纜直接相連，也是非?？煽糠奖恪?/p>

　　還有一些測(cè)試比如抖動(dòng)、眼圖、模板等測(cè)試由于要測(cè)量時(shí)間較長，所以需要脫手測(cè)試。手持的的方法雖然方便但不可靠也不能持續(xù)很長時(shí)間。最簡單的脫手測(cè)試方法是把探頭套在一個(gè)2 腿的探頭夾上，依靠重力壓在被測(cè)點(diǎn)上。對(duì)于一些復(fù)雜的場合，還可以選擇3維的探頭手臂，其可以把探頭夾住并根據(jù)需要調(diào)整探測(cè)的位置和角度。這種3 維的探頭架要做得好的話價(jià)格很貴，甚至?xí)^一個(gè)普通無源探頭的價(jià)格，所以只在一些特殊測(cè)場合才會(huì)用到。

　　手持的的方法雖然方便但不可靠也不能持續(xù)很長時(shí)間。最簡單的脫手測(cè)試方法是把探頭套在一個(gè)2 腿的探頭夾上，依靠重力壓在被測(cè)點(diǎn)上。對(duì)于一些復(fù)雜的場合，還可以選擇3維的探頭手臂，其可以把探頭夾住并根據(jù)需要調(diào)整探測(cè)的位置和角度。這種3 維的探頭架要做得好的話價(jià)格很貴，甚至?xí)^一個(gè)普通無源探頭的價(jià)格，所以只在一些特殊測(cè)場合才會(huì)用到。

　　除此之外，無源探頭通常還會(huì)配個(gè)小起子用來調(diào)整匹配電容，或者有些色環(huán)可以套在探頭上以區(qū)分不同的通道。

5示波器無源探頭的參數(shù)　　60MHz Switch Selectable x1/x10/Ref Probe