示波器原理(一)
时间:2021-11-12 阅读:1539
示波器因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围,使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路,如下图:
一、探头的负载效应
当探头探测到被测电路后,探头成为了被测电路的一部分。探头的负载效应包括下面3部分:
1. 阻性负载效应;
2. 容性负载效应;
3. 感性负载效应。
二、探头的类型
示波器探头大的方面可以分为:无源探头和有源探头两大类。无源有源顾名思义就是需不需要给探头供电。
无源探头细分如下:
2. 带补偿的高阻无源探头(常用的无源探头);
3. 高压探头
1. 单端有源探头;
2. 差分探头;
3. 电流探头
常用的高阻无源探头和有源探头简单对比如下:
低阻分压探头具有较低的电容负载 (<1pf) 、较高的带宽 (>1.5GHz) 、较低的价格,但电阻负载非常大,一般只有500欧姆或1欧姆,因此,它只适用于测试低源阻抗的电路或只关注时间参数测试的电路。
三、有源探头
让我们看一下使用600MHz无源探头和1.5GHz有源探头测试了1ns上升时间步长信号的影响。脉冲发生器用于产生1ns步进信号。经过测试夹具,SMA电缆直接连接到示波器1.5GHz带宽,这样波形 (蓝色信号下图) 将显示在示波器上并作为参考波形存储。然后,使用探针点测量测试夹具检测被测信号。由于探针负载的影响,通过SMA直接连接的波形变为黄色。探测通道显示绿色波形。然后,分别测试上升时间,可以看到无源探头和有源探头对高速信号的影响。
使用1165A 600MHz无源探头,使用鳄鱼嘴接地线: 受探头负载影响,上升时间变为: 1.9ns; 探头通道显示的波形振铃,上升时间为: 1.85ns;
单端有源探头结构图如下,利用放大器实现阻抗变换的目的。单端有源探头的输入阻抗相对较高 (一般大于100Kohm),而输入电容相对较小 (一般小于1pf)。它通过探头放大器连接到示波器。示波器必须使用50欧姆的输入阻抗。有源探头带宽宽 (现在可以达到30GHz),而负载小,但价格相对较高 (通常,每个探头达到相同带宽示波器价格的10% 左右),动态范围小 (注意这一点,因为超过探头动态范围的信号无法正确测试。通常,动态范围约为5V),这相对脆弱。使用时要小心。
差分探头适用于测试高速差分信号 (测试时不需要接地) 、放大器测试、电源测试、虚拟接地测试等应用。
电流探头在测试直流和低频交流时的工作原理:
当电流钳闭合且中心封闭有电流的导体时,将出现磁场作为响应。这些磁场使霍尔传感器内的电子偏转,并在霍尔传感器的输出端产生电动势。电流探头根据这种电动势,产生反向 (补偿) 电流并送至电流探头的线圈,使电流中的磁场夹紧为零,以防止饱和。电流探头根据逆流测量实际电流值。用这种方法,可以非常线性地测量大电流,包括交流/直流混合电流。
随着测量电流频率的增加,霍尔效应逐渐减弱。当测量没有直流分量的高频交流电流时,它们中的大多数通过磁场的强度直接感应到电流探头线圈。此时,探头就像一个电流互感器。电流探头直接测量感应电流而不是补偿电流。功率放大器的输出为线圈提供低阻抗接地回路。
当电流探头工作在20KHz的高低频交叉区域时,部分测量是通过霍尔传感器实现的,另一部分是通过线圈实现的。