如何實(shí)現(xiàn)示波器探頭的最佳匹配？

摘要：探頭是觀測(cè)信號(hào)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，主要作用是承載信號(hào)傳輸?shù)逆溌罚瑢⒋郎y(cè)信號(hào)完整、可靠的傳輸至示波器，進(jìn)行測(cè)量分析?？墒悄阒廊绾螌?shí)現(xiàn)探頭的最佳匹配嗎?

1.探頭分類

探頭通常按測(cè)量對(duì)象進(jìn)行分類，分類如圖1所示。其中，高阻無(wú)源探頭、高壓差分探頭和電流探頭是我們最為熟悉的，接下來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

圖1 探頭分類

1.11.1 高阻無(wú)源探頭

從實(shí)際需求來(lái)說(shuō)，帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o(wú)源電壓探頭使用比例最大，可以滿足大多數(shù)的低速數(shù)字信號(hào)、電源和其它的一些典型的示波器使用。

此類探頭具備較高的輸入電阻(一般1MΩ以上)，可調(diào)的補(bǔ)償電容，當(dāng)首次接上示波器時(shí)，一般需要以調(diào)節(jié)棒調(diào)整電容值，以匹配示波器輸入電容，消除低頻或高頻增益。圖2的左邊為欠補(bǔ)償波形，中間為正常波形，右邊為過(guò)補(bǔ)償波形。

圖2 無(wú)源探頭補(bǔ)償

如ZDS2024PLUS標(biāo)配ZP1025S高阻無(wú)源電壓探頭，具體參數(shù)如下表：

表1 ZP1025S規(guī)格型號(hào)

1.21.2 高壓差分探頭

首先介紹下差分的概念：差分信號(hào)是互相參考，而非參考接地的信號(hào)。高壓差分探頭實(shí)質(zhì)上是由兩個(gè)對(duì)稱的電壓探頭組成，分別對(duì)地有良好絕緣和較高阻抗，可以在更寬的頻率范圍內(nèi)提供很高的共模抑制比，可將任意間的兩點(diǎn)浮接信號(hào)，轉(zhuǎn)換成對(duì)地的信號(hào)，主要用于開關(guān)電源等行業(yè)測(cè)試，原理圖如圖3所示。

圖3 高壓差分探頭原理

下表為常見高壓差分探頭具體參數(shù)：

表2 常見高壓差分探頭規(guī)格參數(shù)

1.31.3 電流探頭

電流探頭是利用霍爾傳感器和感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)直流和交流電流的測(cè)量，其工作原理是把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，示波器采集電壓信號(hào)，再顯示成電流信號(hào)。

圖4 電流探頭圖片

電流探頭優(yōu)點(diǎn)是不用斷開供電線就可以進(jìn)行電流測(cè)量，典型應(yīng)用場(chǎng)合是系統(tǒng)功率測(cè)量、功率因子測(cè)量、開關(guān)機(jī)沖擊電流波形測(cè)量等。主要缺點(diǎn)在于其小電流的測(cè)量能力受限于示波器的底噪聲，所以小電流測(cè)量能力有限。

2.如何選擇合適的探頭?

以上對(duì)一些常見的探頭進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，那么應(yīng)該如何選取一款合適的探頭呢?該關(guān)注探頭的哪些參數(shù)呢?

1.阻抗匹配：探頭的輸入阻抗要與所用示波器的輸入阻抗匹配，以減小對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載作用。對(duì)于低輸入阻抗的示波器，應(yīng)選擇有源探頭或50Ω輸入阻抗的探頭;對(duì)于高輸入阻抗的示波器，應(yīng)選擇×10的探頭。例如示波器的輸入阻抗是1MΩ/10pF,探頭輸入阻抗最好是10MΩ /1pF，這樣的探頭既有10倍的信號(hào)衰減，對(duì)被測(cè)信號(hào)的負(fù)載小，又能與示波器輸入阻抗匹配。

2.帶寬：探頭的帶寬要等于或大于示波器的帶寬。若觀察純正弦信號(hào)，探頭帶寬等于被測(cè)信號(hào)頻率的最高值即可;若觀察非正弦信號(hào)，探頭帶寬應(yīng)容納被測(cè)信號(hào)的基波和最重要諧波分量。

3.上升時(shí)間：為精確地測(cè)量脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間，系統(tǒng)的上升時(shí)間(即示波器和探頭上升時(shí)間之和)應(yīng)比被測(cè)信號(hào)上升時(shí)間快3-5倍。

3.總結(jié)

為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求探頭對(duì)被測(cè)電路的影響最小，且保持最大的信號(hào)保真度傳送至示波器。若探頭以任何方式改變信號(hào)或被測(cè)電路運(yùn)行方式，示波器會(huì)看到實(shí)際信號(hào)的失真結(jié)果，進(jìn)而可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果，或者誤導(dǎo)性的測(cè)量結(jié)果。只有與示波器和被測(cè)電路都匹配良好的探頭才是您的最佳選擇!