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示波器無源探�
閱讀�10041時間�2011-02-21 14:16:38

  示波�無源探頭�(yīng)用于高頻和低頻信號相�(guān)測量�(shè)計、服�(wù)、制�。它是由�(dǎo)線和連接器制�,在需要補(bǔ)償或衰減時,還包�電阻器和電容�。探頭中沒有有源器件�晶體管或放大器),因此不需為探頭供�。無源探頭一般是最堅固、最�(jīng)�(jì)的探�,它們不僅使用簡便,而且使用廣泛�

�(yōu)缺點(diǎn)

  無源探頭一般作為示波器的標(biāo)配提供給工程�,為通用探測提供了極好的解決方案,在測量一般的信號和電平時,無源探頭使用方�,而且價格便宜,是工程師案頭的必備之選。相比有源探�,無源探頭具有很多優(yōu)�(diǎn):電壓動�(tài)范圍�、物理性能和電氣性能�(qiáng)�、適合瀏覽�(shè)�。但�,由于無源探頭本身的固有特�,它也具有很多缺�(diǎn):電容負(fù)荷大、沒有足夠的帶寬、受地線影響、探頭不夠尖(且容易損壞�、很難連接表面貼裝器件。對于無源探�,工程師最頭疼的是它的電容�(fù)荷太�,工程師希望市場上能提供對被測設(shè)備影響最小的無源探頭�

原理分析

示波器無源探頭的原理圖


  �1是工程師常用�10倍無源電壓探頭的原理�,其�,Rp (9 MΩ)和Cp位于探頭�(nèi),Rp為探頭輸入阻�, Cp為探頭輸入電�, 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�。為了精確地測量,兩個RC時間常量(RpCp和R1C1)必須相�;任何不平衡都會帶來測量波形的失�,從來引起使一些參�(shù)如上升時�、幅度的測量�(jié)果不�(zhǔn)�。因�,在測量前需要校�(zhǔn)示波器的探頭的工作以保證測量�(jié)果的�(zhǔn)確�� 從探頭的信號模型我們可以分�� 對于信號的DC量測,輸入容性Cp和C1等效為開�。信號通過Rp和R1�(jìn)行分壓,最終示波器的輸入為�            Vout=[R1/Rp+R1]*Vin=1/10* Vin

  示波器輸入信號衰減為待測輸入信號�1/10。對于較高頻率的輸入信號,容抗對于信號的影響會大于阻抗。例如,一個標(biāo)�(zhǔn)�1MΩ~10pF的無源電壓探�,輸入信號的頻率�100MHz,此�,探頭輸入容抗為Xc(Cp) = 1/�2×π×f×C�=159Ω,容抗遠(yuǎn)�(yuǎn)小于9MΩ的探頭阻�,信號電流更多的會通過輸入電容提供的低阻回��9MΩ阻抗的高阻回路等效為旁路。也可以理解�159 Ω�9MΩ的并�(lián)之后等效阻抗�159 Ω。此�,實際輸入到示波器的信號幅�(AC/高頻)是由探頭的輸入電容以及回路總電容的比值決�,等效為�            Vout=[Cp/Cp+C1]*Vin

  一般來�,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的上升時間�  對于一�6feet的電纜就存在60pF容�,加上一般示波器�20pF的輸入電容以及一些雜散,大致�90pF左右。根�(jù)1�10的分�,探頭的輸入電容�(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�??紤]到探頭和電纜容性的一些誤�,需要使用探頭補(bǔ)償電容箱來�(jìn)行一個回路補(bǔ)�,由于誤�,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�(fù)載模型一般都是輸入電�8~12pF,輸入電阻9M�.

校準(zhǔn)

  簡化探頭模型為一個更簡單的阻容分壓電路如�:

簡單的阻容分壓電路

  讓我們來�(jìn)行一個簡單的推導(dǎo)計算:

  1.計算初始值uC2(0�) 由于電容電壓�(fā)生躍�,要根據(jù)電荷守恒定律� KVL 來確�

式子

  2.計算�(wěn)�(tài)uC2電容開路時,按照電阻分壓公式得到

式子

  3. 計算時間常數(shù)

式子

  4.用三要素公式得到電容電壓uC2(t)

式子

  我們可以看� ,波形�3種情�:

  1.完全�(bǔ)�

完全補(bǔ)償

  2.過補(bǔ)�

過補(bǔ)償

  3.欠補(bǔ)�

欠補(bǔ)償

  以下圖示給出了欠�(bǔ)�、過�(bǔ)償和合理�(bǔ)償三種情況下探頭�(chǎn)生的波形�

探頭欠補(bǔ)償波形圖

  探頭欠補(bǔ)償波形圖

探頭過補(bǔ)償說明圖

  探頭過補(bǔ)償說明圖

探頭完全補(bǔ)償說明圖

  探頭完全�(bǔ)償說明圖

  所�, 在獲得一臺可以工作的示波器和探頭后應(yīng)該要做的項工作是校準(zhǔn)探頭以保證其�(nèi)部RC時間常量匹配。這時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�(diào)節(jié)�(bǔ)償箱中的�(diào)節(jié)螺螺絲完成校�(zhǔn)一直觀察到平坦的波形響�(yīng)。不要太頻繁校準(zhǔn),因為沒有必��

附件使用

示波器無源探頭的附件


  首先從地線說起。通常探頭�(biāo)配的15cm 長的黑色的地線夾可以實現(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)在測高頻信號時會�(chǎn)生比較大的振蕩,再有開關(guān)電源的場合還會耦合�(jìn)很大的噪�??赡芎芏嗳硕疾恢�?,常用的500MHz 的無源探頭在使用這種長地線時帶寬有�200MHz�300MHz 就算不錯�。所以如果要做高頻測�,就需要換用相�(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問題是可能探測�(diǎn)附近找不到合適的接地�(diǎn),而再引長線的話又會增加電�,所以通過相應(yīng)的接地銅片把參考地引到探測�(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�(jìn)行測試的例子�

用彈簧接地片配合接地銅片進(jìn)行測試圖

  再說一下信號的探測問題。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�,但是這個探針如果太粗的話不方便測一些高密度的管�,而太�(xì)的話了又有可能會損壞。所以有些探頭還有一些探針的備件提供,可以方便用戶更�。更換時用個鉗子把原有探針拔下?lián)Q上新的就行了�

更換探頭針

  對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通常是比較危險的,因為探針有可能會滑開從而造成相鄰的兩個管腳短�。針對這種�(yīng)�,有些探頭還提供了一些塑料的IC 探測頭。使用時把這些探測頭套在探頭前�,其楔形的結(jié)�(gòu)可以保證探頭尖在可靠接觸的同時不會滑�,從而避免了測量中的�(fēng)�。這些IC 探測頭根�(jù)不同的芯片管腳間距用不同的顏色區(qū)�,這種測量方法可以支持的管腳間距從0.5mm �1.27mm 不等�

塑料的IC 探測頭

  對于板上信號測試的另一種方法是使用套筒或非常小的抓�。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�。當(dāng)然,這種方法由于使用的地線和信號線比較長,在提供方便性的同時也會影響探頭的帶寬。小的抓鉤也可以支持到最�0.5mm 的管腳間��

探頭使用

  對于一些特殊的�(yīng)�,也有相�(yīng)的探頭附件可供選�。比如對于一些板上的�(guān)鍵信�,如果希望盡可能方便、可靠的測量,可以在實際時在PCB 上預(yù)留一個探頭的適配�。需要測試時只需要把探頭插在適配器上就行�,這樣即保證了帶寬,又方便了測�。另外如果被測信號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�,也是非常可靠方��

探頭

  還有一些測試比如抖�、眼�、模板等測試由于要測量時間較長,所以需要脫手測�。手持的的方法雖然方便但不可靠也不能持續(xù)很長時間。最簡單的脫手測試方法是把探頭套在一�2 腿的探頭夾上,依靠重力壓在被測點(diǎn)�。對于一些復(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)整探測的位置和角�。這種3 維的探頭架要做得好的話價格很�,甚�?xí)^一個普通無源探頭的價格,所以只在一些特殊測場合才會用到�

  手持的的方法雖然方便但不可靠也不能持�(xù)很長時間。最簡單的脫手測試方法是把探頭套在一�2 腿的探頭夾上,依靠重力壓在被測點(diǎn)�。對于一些復(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)整探測的位置和角�。這種3 維的探頭架要做得好的話價格很�,甚�?xí)^一個普通無源探頭的價格,所以只在一些特殊測場合才會用到�

3 維的探頭架

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

參數(shù)

  60MHz Switch Selectable x1/x10/Ref Probe

示波器無源探頭的參數(shù)圖

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