示波器初级读本—探头入门_55页.pdf

初级读本探头入门安 全 摘 要在对电子系统或电路进行测量时，人身的安全是最重要的。需要确实了解你所使用的测量设备的性能和使用规定。另外，在进行测量前，需要完全掌握你将要测量的电子电路或系统，参看被测系统的所有文件和图表，特别注意电路中电压的高低及位置，注意任何所有的警告注释。此外，保证参阅如下安全警告，以防止人身受伤，及防止对测量设备或其所连接的系统遭致损坏。进一步对下列警告的解释请参看附录A：安全预防措施的解释说明。遵守所有终端设备的额定值。使用适当的接地处理。适当联接与断开探头避免裸露的电路。当操作探头时避免射频灼伤。不要在没有屏蔽保护的情况下操作探头。不要在湿、潮的条件下操作。不要在易爆的空气中操作。不要在怀疑有故障的情况下操作。保持探头表面干净且干燥。不要将探头浸入液体。目 录第1 章:探头测量质量的关键环节 1什么是探头1理想的探头2现实的探头4选择正确的探头8一些探头的使用技巧8小结 10第2 章:对于不同的应用需要使用不同的探头 11为何有如此多种的探头？11不同的探头类型及他们的好处 13浮动测量法 18探头附件 20第3章:探头如何影响你的测量结果23源极阻抗的影响 23电容负载效应 23带宽考虑 25如何面对探头效应 29第4章:理解探头的详细说明31畸变(通用)31安培秒乘积(电流探头)31衰减因数(通用的)31精确度(通用)31带宽(通用)32电容(通用)32共模抑制比(CMRR)(差动探头)32CW 电流测量能力的频率衰变(电流探头)33衰减时间常数(电流探头)33直流电流(电流探头)33插入阻抗(电流探头)33输入电容(通用)33输入电阻(通用)33最大额定输入电流(电流探头)33最大峰值脉冲电流(电流探头)33最大额定电压(通用)33传输延迟(通用)33上升时间(通用)34正切噪声(电流探头)34温度范围(通用)34第5章:探头选择指南35了解信号源 35示波器问题 37选择正确的探头 38第6章:高级探测技术39地线问题 39差动测量法 42小信号测量 45附录A:安全警告的解释47遵守所有终端设备的额定值 47使用适当的接地处理 47适当联接与断开探头 48避免裸露的电路 48当操作探头时避免射频灼伤 48不要在没有屏蔽保护的情况下操作探头 48不要在湿、潮的条件下操作 48不要在易爆的空气中操作 48不要在怀疑有故障的情况下操作 48保持探头表面干净且干燥 48不要将探头浸入液体 48附录 B:词汇表 49第一章：探头-测量质量的关键环节探头对于示波器测量是非常关键的，为了理解其重要性，把探头从示波器断开，并且尝试测量，我们知道这是不可能的，必须使用一种探头作为电路连接，这些探头连接于被测信号与示波器输入通道之间。探头对于示波器测量是非常重要的，另外探头对于测量质量也是非常关键的。把一个探头连结到一个电路可能影响电路的运行，并且，归根结底，示波器也只是能够显示和测量探头传送回来的输入信号。因此，探头对于被测回路，必须有最小的影响，同时对想要测量地信号应保证足够的保真度。如果探头不能保持信号的保真度，如果它以任何方式改变信号或改变一个电路的动作，示波器将显示实际信号的一个畸变的型式。其结果会导致出错的或者误导的测量。实质上，探头是示波器测量链的第一个链环。并且这个测量链环的强度同依赖示波器一样依赖于探头。应用一个不适当的或者不良的探头会削弱这第一个链环，并最终影响整个测量链路的质量。在这一章和后面的一章，你将学习各种探头的优势和劣势，并且学习正确使用探头的重要提示和技巧。探头是什么？第一步，让我们确定示波器探头是什么。从本质上讲，探头是在一个测试点或信号源和一台示波器之间做的物理及电路的连接。依据你的测量需求，这个连接能象一段电线一样简单或者会非常的精密复杂，例如一根有源差分探头。从这一点，我们可以充分地说，示波器探头是的把信号源连结到示波器的输入通道的一种设备或电路网络。在图 1-1 中加以说明，探头在此测量图中作为一个未定义的方框而被指明。探头事实上无论它是什么，它必须在信号源和示波器输入之间提供足够便利的和高质量的连接(图 1-2)。适当的连接有3个关键性的定义问题-物理连接，对电路运行的影响，及信号的传送。图1-1.探头是在示波器和测试点之间进行物理和电路连接的设备。图1-2.大多数探头由一个探头尖，一根探头电缆线，及一个补偿盒或其它类型的信号调节网络组成。1新 术 语带宽一个连续的频带段，即电路或网路传送信号时，信号中频功率处至信号功率衰减小于3dB处(参考图 1-5)。负载作用加于源的负载从源分流电流的过程。使用一台示波器进行测量时，你应首先在物理上将探头置于测试点。若要使这成为可能，绝大多数探头须有至少一、两米的与他们连接的电缆线，如图 1-2 所示。在进行电路测量时，这段电缆线的存在使示波器可以放置于手推车的固定位置或者工作台上，而探头可以在各个测试点之间移动。然而对这种便利是有所折衷的，探头电缆线减小了探头的带宽。电缆线越长，减小的越大。除了电缆线的长度，大多数探头也有一个探头头，或者说手柄，其上有一个探头尖。探头头使你能够手持探头从而操纵探头尖与测试点接触，通常，这个探头尖以弹簧钩的形式把探头连接附着于测试点上。在物理上把探头附着于测试点也在探头尖和示波器输入端之间建立了一个电路连接。为了得到可用的测量结果，把探头附着于一个电路必须让它对电路动作具有最小的影响，并且通过探头尖传送的信号必须有足够的信号保真度，信号通过探头及线缆到达示波器的输入端。这三个问题-物理的附着，对电路动作的最小影响，足够的信号保真度-共同成为选择合适的探头的主要因素。由于探头的影响并且由于信号保真度是一个更加复杂的论题，因此这份教材的大部分内容将讨论这些问题。然而，物理的连接问题也不应该被忽略。在把一个探头连结到一个测试点的难点在于它会经常引起探头减小信号保真度的探测操作。理想的探头在理想世界中，理想的探头将提供下列关键的属性：连接简单和便利 绝对的信号保真度 零信号源极负载 完全的噪音抗扰性连接简易和便利。一个连接到测试点的物理连接已经作为探测的关键要求之一被论及。使用理想的探头，你应该能够使物理连接简单及便利。对于小型化电路，如高密度的表面装配技术(SMT)电路，微型探头及多种类的为SMT设备设计的探头尖适配器，能够使连接简易及便利。图 1-3a所示，为这样的一个探头系统。然而，这些探头，对于具有高电压和普通标准导线的工业功率电路而言，是太小了。对于功率应用，需要应用更大尺寸的具有更多边缘保护的探头。图1-3b 和表1-3c是此类探头的例子。图1-3b 是一根高电压探头，图1-3c是一个通用探头上的夹具。从这几个物理连接的例子可以看出，对于所有的应用来说，没有唯一的理想的探头尺寸及外形结构，因此，我们设计了各种各样尺寸外形及结构的探头，从而满足各种各样的应用和物理连接的要求。绝对信号保真度。理想的探头应该忠实地将信号从探头尖传送到示波器输入端。换句话说，探头尖处的原有信号应当被忠实地复制到示波器输入端。a.探测 SMT 设备。b.高电压探头。c.通用探头上的夹具。图1-3 多种多样的探头可应用于不同的技术应用及测量需求之中。2新 术 语衰减一个信号的振幅被减小的处理过程。相位相对于基准点或某一波形，表达波形或波形分量的时间相关位置的一种方式。例如，由定义，一个余弦波具有零相位，一个正弦波是一个余弦波的90度相位变换。线性相位一个网络的特性，对于测量正弦波，随着正弦波频率的增加，相位被线性变换，具有线性相位的网络，将能够保持非正弦波形中谐波的相对相位关系，因此，波形的相位关系没有畸变。负载跨在信号源上的阻抗，一个开环电路是“空载”状态。阻抗阻碍或限制AC信号流动的过程。阻抗以欧姆表示，并且，由一个有阻抗力的部件(R)和能起反作用的部件(X)组成，它可以是容性阻抗(XC)或感性阻抗(XL)。阻抗(Z)以复数的形式表示为：Z=R+jX或以幅值和相位表示，幅值(M)为：M=R 2+X 2相位为：=arctan(X/R)屏蔽把接地良好的薄片导体物质，放置于电路和外部噪声源之间，这样，屏蔽材料拦截噪声信号，并且将它们同电路隔离开。对于绝对保真度，探头电路从尖端到示波器输入，必须具有零衰减，无限带宽、跨越所有频率的线性相位。这些理想的需求事实上不可能完成，他们也是不切实际的。例如，当你处理音频信号时，并不需要无限带宽的探头，也不需要那样的示波器。500MHz就能覆盖大多的数字信号、TV、和其他的一些典型的示波器应用。这时理想示波器也是不需要的，在给定的操作带宽之内，绝对的信号保真度是最终理想的状态。零信号源负载。电路被测试之后，测试点可认为或模拟为一个信号源。任何外部的设备，例如一个探头，被接入测试点，都可看作在测试点之后信号源上附加的负载。外部的设备从电路(信号源)提取信号的同时，外部设备也充当负载。这个载入过程，或者说信号的提取，在测试点后改变了电路的动作，并且因此改变了在测试点处被看到的信号。一根理想的探头导致了零信号负载。换句话说，它不从信号源分流任何信号电流。这就是说，对于零电流分流，探头必须具有无限的阻抗，实质上它是一个开环电路接入测试点。在实际情况中，具有负载零信号源的探头是没有的。因为一个探头必须分流信号电流的微小数量以便在示波器输入端显示信号电压。因此，当使用一个探头时，对负载的信号源有要求。目标应当是通过选择适当的探头来减小载入量。完全噪音抗扰性。荧光灯和电扇电机只是两种在我们环境中的噪音源。这些源能感应到附近电路及电缆线之上，导致噪音被加入到信号。因为噪音的易感应性，简单的一条电线不应是示波器探头的理想选择。理想的示波器探头对所有的噪音源具有完全的抗扰性。因此，送到示波器的信号与在测试点处相比，信号中没有更多的干扰。然而噪音（干扰）却在小信号测量时依然是个问题。特别的是，在应用不同的测量方法时，共模干扰问题常常出现，这将在以后的文章中论述。3新 术 语分布元素(L,R,C)阻抗及电抗超过导线的示波器；分布特性值相比总的器件值是非常的小的。源信号电压或电流的起源点或单元；甚至可以是FET(常效应晶体管)的一个极。上升时间脉冲的上升沿转换时间，上升时间是脉冲从10%振幅上升到90%振幅的时间。理想的探头前面在对理想探头的讨论中，提及了几个阻止实际探头达到理想状态的原因。为了理解探头如何影响示波器的测量，我们需要进一步研究探头的实际问题。首先我们应当认识到，一个探头，就算它只是简单的一条电线，它也可能是一个很复杂的电路。对于DC信号(0 Hz 频率)，探头作为一对导线与一系列电阻，他们就向一个终端电阻一样。(图 1-4a)。然而，对于AC 信号，随着频率的增加，特性曲线戏剧性地产生变化(图 1-4b)。AC 信号的特性变化是因为：电线具有分布电感(L)，电线具有分布电容(C)。分布电感反作用于AC信号，在信号频率增加时，阻止AC信号通过。分布电容反作用于AC信号，在信号频率增加时，减小 AC信号电流通过的阻抗。这些反作用元件(L 和 C)的交互作用，与电阻元件(R)一起，成为随信号频率不同而变化的探头阻抗。通过对探头的良好设计，控制探头的R、L、C元件，就能控制获得想要得到的信号保真度，并使衰减及源负载超过指定的频率示波器。即使是良好的设计，探头也时由他们的电路的本质所限制。当选择并且使用探头时，知道这些限制和他们的影响，是非常重要的。带宽和上升时间限制。带宽是一台示波器或探头设计的频率的范围。例如，一根 100 MHz 探头或示波器被设计为在高至 100 MHz 的频率范围内进行测量。在信号频率高于指定带宽时进行测量会导致不可预知的测量结果。(图 1-5)在一般情况下，为了获得正确的振幅测量，示波器的带宽应该比被测量的 波形的频率大 5 倍。“这条5倍规则”为非正弦波高频成分保证了足够的带宽，例如方波。同样，为了测量波形，示波器必须有足够的上升时间。示波器或探头的上升时间定义为：当测量一个理想的、瞬时的上升脉冲时，所测量的上升时间。为了合理精确地测量脉冲上升或下降时间，探头和示波器的上升时间之和应该是 35 倍快于被测脉冲。(图 1-6)。图 1-5.探头和示波器设计为在规定的带宽范围上进行测量。超越了 3 dB 点的频率，信号振幅极度削弱，测量结果是无法预知的。图 1-4.探头是由分布式的阻抗、感抗、电容组成。(R,L,C)。4新 术 语有源探头 包含晶体管或其他有源设备作为部分信号调节网络的探头。无源探头 网络仅由阻抗(R)，感抗(L)，容抗(C)元件组成，不包括有源元件的探头。在上升时间没被指定的情况时，你可以从带宽(BW)的指标导出上升时间(T r)，他们具有如下的关系说明：Tr=0.35/BW每台示波器都定义了带宽和上升时间限制。同样，每根探头也有它的带宽及自己的上升时间限。并且，当一个探头接入一台示波器时，你将得到一套新的带宽和上升时间限。不幸的是，系统带宽和单个示波器和探头带宽之间的关系不是简单的一种关系。对于上升时间也一样。为了处理这个问题，当示波器用于特殊模式时，先进的示波器制造商指定的上升时间当使用原配的探头时，是探头尖的上升时间。这是非常重要的，因为示波器和探头一起形成一个测量系统，系统的带宽和上升时间决定它的测量能力。如果你使用没有在示波器推荐表上的探头，你将冒无法预知测量结果的风险。动态范围限制。所有的探头应该有不应超过的高电压安全限制。对于无源探头来说，这个限制能从几百伏特延伸到几千伏特。然而，对于有源探头，最大的安全电压限制经常是几十伏特。为了避免个人安全上的危险及潜在的损坏探头的危险，知道被测量的电压范围及需要使用的探头的电压限制，是明智的选择。除了安全方面的考虑，也有实际的测量的动态范围方面的考虑。示波器有特定的灵敏度范围。例如，1 mV到10V每格是一个典型的示波器灵敏度范围。在8格显示时，这意味着你能从4 mV峰峰值到40 V 峰峰值信号范围内作相当的精确测量。假定至少信号要显示4格幅度，才可获得合理的测量分辨率。一根 1X 探头(1倍增益探头)，它的动态测量范围同示波器一样。对于上面的例子，这将是4mV到40V范围内的信号测量。但是，如果你需要测量一个超过40V的信号时该怎么办？你可以通过使用一个衰减探头，从而扩展示波器的动态范围至更高的高电压。例如一根 10X 探头，将扩展动态测量范围至40 mV到400V。它衰减输入信号10倍，有效地在增大了示波器的测量范围。对于大多数的通用用途，首选使用10X探头，因为他们具有最高的电压范围及较少的信号源负载。然而，如果你计划测量一个宽电压范围的电压值时，你可以考虑采用可切换的1X/10X探头。它会给你一个4 mV至400 V的动态范围，.然而，在 1X 模式下，必须更多的注意信号源负载。图 1-6.上升时间测量误差可以从上面的图表进行估计。示波器/探头的共同的上升时间比被测量信号快3倍时，预期测量误差在5%以内。快五倍时将导致仅仅2%的误差。5新 术 语电抗 一个随信号频率变化，阻止电流通过的反作用于AC信号的阻抗单元。电容器(C)代表一个AC信号的容性的电抗，以欧姆表示，具有如下关系：XC=其中：X C=容性电抗，单位：欧姆 =3.14159 f=频率，单位：赫兹 C=电容，单位：法拉电感(L)，代表AC信号的感应电抗，以欧姆表示，具有如下关系：X L=2fL其中：XL=感应电抗，单位欧姆 =3.14159 f=频率，单位：Hz L=电感，单位：亨利12fc源负载以前曾提及，一个探头必须分流一些信号电流以便在示波器输入端获得输入信号的电压。这一在测试点的负载，能够改变电路信号或信号源传送到测试电的信号。源负载影响的最简单的例子是考虑测量一个电池驱动的电阻网络。如图 1-7所示。图1-7a，在一个探头被连接之前，电池的 DC 电压通过电池的内部的电阻(Ri)、负载电阻(R l)分压，及电池驱动。图示给出数值，由此导出输出电压：E o=E b*R l/(R i+R l)=100 V*100,000/(100+100,000)=10,000,000 V/100,100 =99.9 V图1-7b，探头连接于电路，置探头电阻(R p)与 R l 并联。如果 R p是100 k，有效载入电阻是一半50 k。对E o的负载影响是：E o=100V*50,000/(100+50,000)=5,000,000 V/50,100 =99.8 V这个负载的影响是99.8V对99.9V，仅仅是0.1%的影响，这在大多数情况下是可以忽略的。然而，如果R p 变小，例如10k，其影响将是不可以可以忽略的。为了使阻抗负载减到最小，1X 探头通常内阻有1M，10X探头典型内阻有10M。对于大多数测试，这些阻值使得阻抗负载为零。然而，当测量高阻抗信号源时，就必须加以考虑了。通常，负载最多涉及到探头尖引起的电容(见图 1-8)。对于低频信号，这个电容具有非常高的电阻，其影响不大，但当信号频率增加时，电容电抗减小，结果导致高频率时负载的增加。图1-7.电阻负载的一个例子。6新 术 语振荡 当一个电路共振时引起的电压摆动，典型地，脉冲的衰减正弦曲线称为振荡。接地 因为探头必须为进行测量而从信号源分流，必然存在电流回路，这条回路，由一个探头的地导线连接电路或公共地的接地导线提供。这一容性负载使得测量系统的带宽降低，上升时间变慢。可以通过选择低探头尖电容的探头，而减小容性负载。下面表格提供了各种探头电容的典型值。ProbeAttenuationRCP6101B1X1M100 pFP6106A10X10M11 pFP6139A10X10M8 pFP624310X1M1 pF既然接地导线是一条电线，它就一定数量的分布电感(见图 1-9)。这些电感与探头电容相互作用，引起在某一频率的振荡，振荡的频率由 L 和C的值决定。振荡是不可避免的，并且可以看到，它是加于脉冲上的，衰减的正弦波振荡。良好设计的探头接地，可以减小振荡的影响，由此，振荡频率出现的位置将超过探头/示波器系统的带宽限制。为了避免接地出现问题，通常使用具有最短接地导线长度的探头。替换其他的接地方式，就可能导致在周期性的脉冲上出现振荡。探头是传感器。在处理示波器探头的具体情况时，记住探头是传感器，这一点是非常重要的。大多数示波器探头是电压传感器。这就是说，他们探查或传感一个电压信号并且传送电压输入示波器。然而，探头也允许你检测到除电压以外的信号。例如，电流探头被设计为检测通过一根电线的电流。探头变换检测到的电流成为相应的电压信号，然后再将电压信号传送到示波器的输入端。同样，光电探头检测光功率，并将它们变换为示波器测量的电压信号。另外，示波器电压探头能够当作传感器和变换器，用于测量不同的现象。例如，一个振动变换器，允许你在示波器屏幕上看到机械振动信号。其可能性非常多样，就象市场上可用的传感器一样。通常，传感器、探头、示波器是联接在一起的，因此他们应当被视为一个测量系统。图 1-9.探头的接地线把自感加入电路。接地线越长，自感越大，快速脉冲产生阻尼振荡的可能性也就更大。图 1-8.对于AC信号源，探头尖电容(C p)是其涉及的最大负载。当信号频率增加，容性的电抗(X c)减少，引起更多的信号流过电容。7新 术 语谐波 方波，锯齿波，或其它周期性的非正弦波，包含由基本的频率组成的频率(1/周期)成分，并且是基频的整数倍(1x，2x，3x，.)的频率，并称之为谐波频率。二次谐波的频率是基频的二倍，三次谐波的频率是基频的三倍。其余同理。此外，实际上以上讨论的探头扩展到传感器。传感器也有带宽限制并且能引起负载效应。选择适当的探头由于示波器测量应用及需求的广泛性，在市场上示波器探头的选择也很多，可能导致大家在选择探头时不知如何是好。为了正确地选择探头，应当遵循示波器制造商对探头选择的建议。这是非常重要的，因为不同的示波器设计，有不同的带宽、上升时间、灵敏度、及输入阻抗上的考虑。充分利用示波器的测量能力要求有一个匹配示波器的探头。另外，探头选择过程中，也应该考虑你测量时的需要。你需要测量什么？电压？电流？一个光信号？通过选择适合于信号的一个探头，你能更快得到直接的测量结果。另外，考虑你正在测量的信号的振幅。他们在你的示波器的动态范围以内吗？如果不是，你需要选择能调整动态范围的探头。通常，通过有一个10X或更高的衰减的探头，在探头尖超过你计划测量的信号的频率或上升时间时，可以确保带宽或上升时间。应当记住非正弦信号有重要的频率成分或者说除了信号的基频，还有很多的谐波频率。例如，完全包括5次谐波的100 MHz方波，你需要一个在探头尖具有500 MHz 带宽的一个测量系统。同样，你所使用的示波器系统的上升时间应该比你计划测量的信号的上升时间快 35 倍。并且应当计入可能的由探头带来的信号负载。尽量使用高阻抗，低电容探头。对于大多数应用来说，一个10 M的20 pF或小于20 pF电容量的探头，其源负载是不必考虑的。然而，对于一些高速数字电路，你应当使用有源探头，们它具有更小的探头尖电容。最后，记住，在你能够做测量之前，你一定要能把探头接入电路。这可能需要考虑如下的特殊的选择问题，探头头部的尺寸，探头尖适配器，以便与电路作简易便利的连接。一些探测要点选择匹配示波器的并且满足应用需求的探头，可以获得必要的测量的能力。实际上使测量获得有效的结果也取决于你怎么使用工具。下面的探头要点将帮助你避免一些普遍的测量问题：8补偿你的探头。大多数探头被设计为匹配特定的示波器的输入电路。然而，不同的示波器之间有细微的变化，甚至在同一示波器的不同的输入通道之间也有。为了处理这一问题，许多探头，特别是衰减探头(10X 和 100X 探头)，有内建的补偿网络。如果你的探头有一个补偿网络，你应该调整这个网络，为你正在使用的示波器通道做探头补偿。探头补偿，遵循下列过程：1.把探头接入示波器。2.把探头尖接入示波器前面板上的探头 补偿测试点(见图 1-10)。3.使用探头自带的调整工具或其他无感调节工具，来调节补偿网络，从而获得一个标准波形，这一波形应当具有平直的顶部，不能有过冲及圆弧。(见图 1-11)。4.如果示波器有内嵌的校准程序，运行 这个程序，从而提高精确度。一根未补偿的探头能导致各种各样的测量错误，特别是测量脉冲上升或下降时间。为避免这样的错误，通常在把探头连结到示波器及检查补偿以后补偿探头。另外，无论何时你改变探头尖适配器后，再检查探头补偿，是非常明智的。c.适当补偿。图 1-11.一个探头补偿效果的例子：对方波的影响。图 1-10.探头补偿的调节，或者在探头尖端或者在接入示波器输入的补偿盒。a.过补偿。b.欠补偿。9只要可能，使用适当的探头尖适配器。对被测量的电路进行测量时，一个适当的探头尖适配器能使探头连接快速，方便，并且稳定可靠。不幸地是，用一截普通地短电线直接焊接于电路点上充当探头尖适配器是非常常见的。问题在于，即是是一至两个英寸的电线都能在高频率通过时，产生重大的阻抗变化。这个影响由图 1-12 显示，一个电路由探头尖直接的接触进行测量，对比通过一根连接于探头尖及电路之间的短电线进行测量。使接地线尽可能的短和直接。当做性能检查或修理大的电路板或系统时，经常想延长探头的接地线。加长的接地线使得你接地后，在你探看各各测试点时，就能够自由地在系统附近移动探头，而不需要再次连接地线。然而，延伸的接地线所增加的电感能在快速变换的波形上引起阻尼振荡。如图1-13所示，当使用标准的探头和加长的接地线探头时波形的测量情况。概要在第一章里，我们努力提供了适当选择探头及适当使用探头的所有的必要的基本的信息。在下列章节，我们将详细阐述这个问题，同时，也将阐述关于探头及探测技术的更高级知识。图 1-12.将短电线接入测试点，能引起信号的保真度问题。在这种情况中，上升时间从 4.74 ns(a)被改变到5.67 的 ns(b)。a.直接的探头尖接触。b.在探头尖处有2英寸电线。图 1-13.延伸探头接地线能引起阻尼振荡在脉冲上出现。a.6.5英寸探头接地线。10b.28英寸接入探头接地线。第二章 对于不同的应用需要使用不同的探头新 术 语读出 在一台示波器屏幕上显示的字符及数字的信息，它提供波形缩放比例信息，测量结果，或其他的信息。踪迹识别 当多重的波形踪迹在一台示波器上被显示时，踪迹ID 特征允许识别一个从特定探头或示波器通道来的特殊波形。瞬时按下探头上的踪迹ID钮，能够使示波器跟踪相应的波形，并即刻以跟踪识别的方式改变示波器工作模式。探头供电 供给探头电力的有：示波器，探头放大器，或被测电路等。探头需要供电的这一特征，使其具有有源电子学的特性，因此归类定义为有源探头。在市场上可以获得成百上千的不同种类的示波器探头。Tektronix 的测量产品目录列出超过70种不同的探头型号。如此广泛的探头选择确实是必要的吗？答案是：是的！并且在这章你将发现原因是什么。通过理解这些原因，你将更好地准备探头选择，从而匹配你正在使用示波器和匹配你需要做的测量的类型。其好处是：合适的探头选择导致测量性能及结果的提高。为什么有如此多种类的探头？示波器型号和性能的多样性是有如此多探头的一个基本原因。不同的示波器要求不同的探头。一个 400 MHz 示波器要求支持 400 MHz的带宽的探头。然而，这些同样的探头对于100MHz示波器来说，不论从性能上还是从价格上都是不必要的。因此，需要为100 MHz 带宽设计一种不同的探头。通常，探头应该选择为任何时候都匹配示波器的带宽。如果不是这样，应选择超过示波器的带宽的探头。带宽是首要的考虑。示波器也有不同的输入接头类型和不同的输入阻抗。例如，大多数示波器使用一简单的 BNC（同轴电缆接插件）类型输入接头。也有使用 SMA（表面贴装）接头的。另外，如图 2-1 所示，特殊设计的探头接口将支持读出器，踪迹 ID，探头供电，或其它高级特性。这样，探头选择也必须与特定示波器兼容。这可以是直接的接头兼容性，或通过一个适当的适配器的连接。读出器支持是探头/示波器接头兼容性的一个特别重要的方面。当 1X 和 10X 探头在一个示波器上被互换时，示波器的垂直刻度读出器应该反映1X 到 10X 的变化。例如，如果示波器的垂直刻度读出是1伏特/格，使用 1X 探头，当改变为一根 10X探头，垂直的读出应该被乘以10为10v/格。如果示波器不能随着1X 到 10X的改变而改变刻度，用 10X 探头作振幅测量时，得到的结果将比实际值小十倍。很多市面上销售的普通探头不能为所有的示波器支持读出功能。所以，当代替制造商特别推荐的探头而使用通用的探头时，额外的小心是非常必要的。除了带宽和接头的差别，各种各样的示波器也有不同的输入阻抗和输入电容。典型地，示波器输入电阻是 50 或 1M。图2-1.需要各种各样接头类型的探头匹配不同的示波器输入通道连接器。11新 术 语衰减探头 通过衰减信号，有效地增加示波器的刻度因数范围的探头。例如，10X探头通过衰减10倍有效地增加了示波器的显示范围。这些探头通过衰减施加于探头尖的信号完成倍增；这样，一个峰峰值 100 伏特信号被一根 10X 探头衰减到 10 伏特峰峰值信号，并且再作为峰峰值信号通过示波器的刻度因子10X 倍增，在示波器上显示为100 伏特的信号。然而，根据示波器的带宽技术规格和其他设计因素，输入电容可以有很大的变化。为了合适的信号转换和保真度，探头的 R 和 C 匹配示波器的 R 和 C，这一点是非常重要的。例如，50 示波器输入电阻应当使用50 探头。同样，1M输入阻抗示波器上使用1M 探头。但一个例外有别于阻抗的一一匹配，当使用衰减探头时，例如，一根50输入阻抗的10X 探头，具有500的输入电阻；1M的 10X 探头具有10M的输入阻抗。（衰减探头，例如一根 10X 探头，也被归类于分压器探头与乘法器探头。这些探头倍增示波器的测量范围，并且通过衰减或分压输入示波器的信号而完成这一工作。）除了阻抗匹配，探头的电容也应该匹配示波器的额定的输入电容。通常，这个电容的匹配能通过探头的补偿网络的调整来做。但是只有当示波器的额定输入电容在探头的补偿范围内时才可以做到。因此需要不同补偿范围的探头来满足不同的示波器的输入范围的需要。匹配一个探头到一台示波器这一问题极大地被示波器制造商简化了。示波器制造商小心地将其视为一个完整的系统而设计探头和示波器。其结果是，使用制造商所指定的标准探头，才能获得探头与示波器的最佳匹配。使用除制造商所指定的以外的任何其它探头，均可导致逊于最佳性能的测试。探头与示波器的匹配要求是市场上具有大量商品探头的第一个理由。不同测量需求要求不同的探头使得这一数目大大增加。探头最基本的差别在于被测量的电压的电压范围。毫伏特，伏特，及千伏特测量时，要求探头有不同的探头衰减因子(1X，10X，100X)。另外，在许多情况下信号电压是差分的。也就是说，信号通过 2 点或 2 根电线而存在，这两点都不是接地点或公共电位(见图 2-2)。如此的差分信号在电话语音电路、计算机磁盘读通道、及多相电源电路上是常见的。测量这些信号还需要另外一种探头，称为差分探头。有许多例子，特别地是在功率应用时，此时电流比电压还要重要。这种应用最适合于另一类探头，它们敏感电流而非电压。电流探头和差分探头仅仅是许多不同的类型的可用探头中的两个特别的种类。本章的余下部分包含更多的常见类型的探头及他们的特殊用处。图2-2.单端信号将地(a)作为参考点，差分信号是两个信号线之间的差或两个测试点之间的差(b)。12Single-Ended SignalDifferential Signal新 术 语时域反射计(TDR)一种测量技术，将一个快速脉冲加于信号传输路径，测量脉冲的反射，以分析测定传输路径的故障或失谐的位置和类型。不同探头的好处作为一篇前言而讨论各种各样的常用探头的类型，认识到探头类型常有重叠，是非常重要的。当然一根电压探头只敏感电压，但是一根电压探头可以是一根无源探头或一根有源探头。同样，差分探头是电压探头的一种特殊类型，并且差分探头也可以是有源或无源探头。其中，将适当指出这些探头之间重叠的关系。无源电压探头。无源探头由电线和接头组成，并且，当需要补偿或衰减时，还有电阻器与电容器。探头没有有源的部件-晶体管或放大器，并且不需供电源给探头。因为他们相对简单，无源探头趋于是最粗劣且最经济的探头。他们易于使用并且也是探头中最广泛地被使用的类型。然而，不要被使用的简单或构造的简单所蒙骗，高质量的无源探头很少有简单的设计！无源电压探头可用于各种各样的衰减因子可用-1X，10X，100X，他们为了不同的电压范围而设计。因此，无源电压探头最通常是使用10X探头，并且作为示波器的一个代表性的标准附件。对于信号振幅是1伏特或小于1伏特的峰峰值的应用，一个1X 探头是更适当或者所说更必要的。信号中有低振幅信号及中等振幅信号(几十伏特或几十毫伏)的混合，则一根 1X/10X 可切换探头是非常便利的。然而，应该记住，一根可变换的1X/10X探头本质上是在一起的2根不同的探头。不仅是他们有不同的衰减因子，他们的带宽、上升时间及阻抗(R 与 C)特征也是不同的。其结果是，这些探头将不确切地匹配示波器的输入，并且将不能提供标准的10X探头的最适宜的性能。大多数的无源探头设计为普通的示波器的应用。因此，他们的带宽典型范围从不到 1 0 0 兆赫延伸到 500 兆赫以上。有一种提供更高带宽的无源探头，被称为 50探头，Zo探头，或者分压器探头。这些探头设计为在50环境下使用，它典型的应用是高速设备，微波通信，及时域反射计(TDR)。一个用于如此应用的典型的 50探头有数千兆赫的带宽且有几个 100 皮秒或更快的上升时间。有源电压探头。有源探头通常包含有源器件，例如晶体管。通常，有源设备是一只场效应晶体管(FET)。场效应管输入的优点是它提供一个很低的输入电容，典型值小于1pF。有一些特定的场合需要极低的电容。首先，回想一下，低值电容，C，转换为高值的容抗，X C 。这可从 X C的公式看出，它是：既然容性电抗是一个探头的主要的输入阻抗元件，一个低值的 C意味着高输入阻抗。有源的场效应管探头一般具有从500兆赫至高达 4 GHz 的带宽。除了更高的带宽，有源场效应管探头的高输入阻抗，允许在测量点进行未知阻抗的测量，它具有更小的对负载的影响。另外，既然低电容减小了地线的影响，就可以使用更长的地线。然而，最重要的方面是，场效应晶体管探头提供很低的负载，使他们能够用于使用无源探头将带来严重负载的高阻抗电路。既然具备如此高的性能，比如直流到4GHz 宽的带宽，你可能会说：那为什么还要无源探头？回答是有源探头没有无源探头那样的电压动态范围。有源探头的线性动态范围通常是从 0.6 V 到10V。同样，他们能承受的最大电压小于40V(直流+交流峰值)。换句话说你不能象使用一根无源探头一样，测量从毫伏到数十伏特的信号，并且有源探头可能在无意中测试高电压时损坏。他们甚至可能被静电损坏。然而，场效应晶体管探头的高带宽是其主要的优点，其线性电压范围已经包含典型的半导体系列电压值。有源的场效应晶体管探头，常用于低电压信号的测量，包括射极耦合逻辑、GaAs、及其它的快速逻辑系列。13X C=12fc差分探头。差分信号是相互作为参考，而不是以地为参考。图 2-3 是差分信号的几个例子。包括集电极负载电阻器两端电压信号，磁盘驱动器读通道信号，多相电源系统，及许多其它本质上“浮”于地上状态的信号。差分信号以探头测量有两个基本的方法。两种方法在图 2-4 中说明。一个常用方法是使用 2 根探头做 2个 单端信号测量，如图2-4a 所示。它也通常是做差分测量时，人们最先想到的测量方法。因为双通道示波器有 2根探头是可用的，此方法经常被使用。将所有的信号与地(单端)进行测量，使用示波器的数学功能，信号从一个通道减去另一个通道(通道A减通道 B 的信号)，看起来非常完美的完成了对差分信号的测量。对于低频信号，并且差信号幅度足够大，不会淹没于噪声的情况也许适用。但是这种测量方法将会有一些可能的问题。一个问题是，有 2 个长并且分离的信号路径通过探头及每个示波器通道。这些路径之间的任何延迟差别将导致2个信号时间上的扭曲。在高速信号时，这一扭曲能导致确定差分信号时产生重大的的振幅及定时错误。为了使这种影响减到最小，应该使用匹配的探头。单端测量的另外的问题是，他们不能提供足够的共模噪声抑制。许多小电压信号，例如磁盘读通道信号，被差分地传送以便于共模噪声的抑制及处理。共模噪音是由于附近的时钟线或外部噪声源例如荧光灯引起的加于两个信号上的噪音。在一个差分系统中，这个共模噪声应当从差分信号中减去。成功的做法就要涉及共模抑制比(CMRR)。因为通道的差别，单端测量时的 共模抑制比（CMRR）性能随着频率的增加，快速下降至非常低的水平。如果源的共模抑制特性不变，测量到的信号噪音比其实际大。而差分探头是使用差分放大器使2个信号相减，由示波器的一个通道测量出差分信号(如图 2-4b)。这就提供了在更宽的频率范围上的共模抑制比（CMRR）性能的充分提高。由于电路技术的进步，差分放大器已经可以做到实际的探头上。在最新的差分探头中，例如 TektronixP6247,达到1-GHz 的带宽，共模抑制比(CMRR)性能达到1 MHz 时60 dB(1000:1),1 GHz时 30 dB(32:1)。这种带宽/共模抑制比(CMRR)性能在磁盘驱动器读/写率达到或超过 100 兆赫时，正变得越来越重要。高压探头。术语“高压”是相对的。半导线行业中的高压对于电力行业中的高压而言，是非常小的。然而，从探头的角度，我们可以定义高压为：任一超过典型通用的10X 无源探头安全使用的电压。图 2-4.差分信号能用一双通道示波器的转换来计算(a)，或更使用差分探头获得更好测量结果(b)。图 2-3.差分信号源的一些例子。14Differential SignalDisk Read HeadPreamp3CH1-CH2Differential Probe常用无源探头的最大测量的电压大约在400500 伏特附近(直流+交流峰值)。另一方面，高压探头能