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探讨手持式示波表探头的重要性,你了解多少?

  • 发布日期:2021-03-31      浏览次数:1175
    •   手持式示波表有携带方便、操作简单等特点。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象,便于人们研究各种电现象的变化过程。利用设备能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等。
       
        手持式示波表一般具有三个典型的部分,探头头部、探头电缆和探头补偿设备。其中探头头部的作用是与测试点直接接触,从而与被测系统产生电气连接,终获取到需要测量的信号。探头电缆的作用则是使示波表和探头头部彼此不互相干涉,可以做到在不移动的前提下,随意移动探头头部,使之可以方便的与测试点接触。探头补偿设备,主要是为了尽量消除探头电缆带来的负面影响,从一定程度上保持探头的测量准确性。
       
        由探头的基本结构可知,探头是不可能被看为一个透明的设备,一定会有很多性能上的限制,比如探头电缆和补偿设备决定了探头的带宽,又比如探头中的器件尺寸也决定了探头的输入电压。所以探头会有一些基本的参数。在此归纳一下:
       
        1、衰减系数
       
        衰减系数,是所有探头都会有的一个参数,指的是探头使信号幅度下降的程度。某些探头可能会有可选择的衰减系数。典型的衰减系数有1×、10×和100×。1×探头表示不会对信号进行衰减。10×则表示信号会被衰减10倍再输入。1×、10×这些名称的由来,是因为之前的设备没有自动识别探头衰减系数和自动调节的能力,所以需要通过1×、10×这些名称来提醒测试者记得要把测量出来的结果乘以相应的倍数。
       
        2、带宽
       
        带宽也同样是一个探头*的参数,指的是探头导致信号衰减-3dB情况下的频率点。如下图所示:
       
        如100MHz探头就有100MHz带宽,500MHz探头就有500MHz带宽。一些探头,还会有一个低频的带宽频率,比如一些AC探头,不能传递DC信号,它在低频段会有一个带宽参数。值得一提的是,带宽指的是-3dB的频谱,此时信号被测量出的幅度只有真实信号的70.7%,所以测量者需要考虑对这个结果是否可以被接受,否则就需要使用更高带宽的探头。
       
        3、上升时间
       
        带宽指的是对单一正弦波的测量,如果需要测量的是方波,则需要考虑探头的上升时间,该参数是探头在阶跃信号激励的输入下,输出信号从10%上升至90%所需的时间。这个参数实际上是用来进行评估误差范围的。比如被测试方波信号的上升沿的上升时间为10ns,则经过一个上升时间为3.5ns的探头,终输出的上升时间就大致为:
       
        上升时间退化了5.9%。
       
        如果此时改用0.7ns的探头,则输出的上升时间为:
       
        上升时间仅仅退化了0.24%。所以测量时,就需要尽量选择上升时间远小于被测信号上升时间的探头,一般需要3~5倍。
       
        4、输入电压
       
        输入电压是指探头可以输入的大额定值的电压。输入电压取决于探头机身和探头内部器件的额定击穿电压。一般该项会通过一些安规规范来给出,而不是给出单一的电压,比如一般10×的无源探头的输入电压为300VRMS CATⅡ。其中CATⅡ指的是一类测试场景,300VRMS CATⅡ指的是在这类测试场景下可以测量的电压。而且这个电压并不是一个恒定值。而是会随着频率的变化而变化。
       
        5、输入电容
       
        输入电容就是从探头的探头头部端测量出的电容。对于有源探头,该电容包括探头探针的寄生电容和探头内部电路中的电容。对于一些无源探头,还要包括探头电缆的寄生电容和设备本身的电容。该电容值越小,一般说明探头可测量的频率越高。
       
        6、输入电阻
       
        探头的输入电阻是探头的探头头部端测量出的电阻,该值是在DC情况下测量出来的。对于无源探头来说,衰减比例越大,探头的输入电阻越高。
       
        7、补偿范围
       
        多数无源探头都是一种通用的设备,而在不同手持式示波表之间,甚至在同一台不同通道之间都会有所差异。探头为了兼容这些差异,就会自带一个补偿网络,用来补偿不同示波表间的差异。如果补偿不足或者补偿过度,就会导致测量结果出现错误。而这个补偿网络是一定会有一个能够调整的范围的,这个范围就是补偿范围。一般的无源探头的补偿范围为10~35pF。
       
        8、电缆长度
       
        每个探头都必须有一段探头电缆,这是为了更加方便的进行测量。而这段电缆会造成一定的信号传播延时。例如,1m左右的探头电缆,大概会有5ns的延时。对于10MHz的信号,这会造成大概20°左右的延时。电缆越长,会导致相位信号延迟越长。而这个延时一般情况下不会对测量造成影响,因为在一定带宽范围内,这个延时并不会跟随信号频率变化而变化,所以不会造成群延时的失真。只有在两个以上通道一起测量时,传输延时才会产生影响,特别是当电压探头与电流探头一起进行功率测量时,不同探头之间的延时就会造成很大的影响。所以测量之前需要根据电缆长度来推算大致的延时。如果延时过大,则需要使用设备内的延时校准功能。
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