摘要:目前,數(shù)字家電技術(shù)的高速發(fā)展使與此對應(yīng)的電子回路速度日益加快,對觀測波形信號的示波器和探頭的要求也越來越高,因此示波器的采樣速率和探頭模擬帶寬也得到了飛速發(fā)展。但是,不少示波器在實(shí)際測量過程中卻出現(xiàn)了波形再現(xiàn)性不理想或無法正確觀測波形等現(xiàn)象。問題究竟在哪里?原因在于隨著被測信號頻率的加快,探頭的重要性也更加突出,如果探頭性能不佳,就可能導(dǎo)致無法正確完成測量,本文將重點(diǎn)介紹幾點(diǎn)測量高速信號時(shí)需要注意的探頭選擇和使用問題。
一、電壓探頭的主要種類
探頭是
電壓傳感器的一種,用戶應(yīng)根據(jù)被測對象電壓值、輸出阻抗、電壓頻率選擇相適合的電壓探頭。目前示波器所使用的探頭種類非常多,探頭不同,其輸入阻抗(電阻值、電容值)或模擬帶寬也有很大差別,在準(zhǔn)備測量之前,用戶需要充分了解探頭種類和各種探頭之間的差別。一般在高頻測量中被經(jīng)常使用的探頭大致分為以下三種:
二、高頻測量時(shí)需要注意的問題
負(fù)荷效應(yīng)
當(dāng)探頭與被測量回路相連接,探頭的輸入阻抗將對被測系統(tǒng)產(chǎn)生影響。這種現(xiàn)象稱為負(fù)荷效應(yīng)。例如:在測量反饋回路時(shí),探頭阻抗會改變回路內(nèi)電壓相位,結(jié)果使回路動作發(fā)生變化,在震動回路中可能改變震動頻率,更為嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)震動停止等情況。因此測量時(shí)要考慮到探頭可能產(chǎn)生的負(fù)荷效應(yīng),特別是在測量靜電容量等敏感電路時(shí),更需要注意探頭種類的選擇。
探頭電容**測量帶寬
在測量100MHz以上高頻波形成分時(shí),信號源阻抗和探頭電容容量形成低通濾波器,對測量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。以50Ω回路為例(圖1),在終端測量信號波形時(shí),信號源的等效阻抗為25Ω(50Ω并聯(lián)),這里因?yàn)榛芈穬?nèi)追加了探頭電容,形成的低通濾波器截止頻率為fc=1/2πRC。如果使用14pF的無源探頭截止頻率則為fc=455MHz,輸入容量為0.9pF的截止頻率則為fc=7GHz。
測量高輸出阻抗回路時(shí),負(fù)荷效應(yīng)會更加明顯,所以推薦使用輸入電容較小的有源探頭/FET探頭。
因電感而產(chǎn)生共振
在使用探頭觀測波形信號時(shí)必然用到同軸電纜,因?yàn)樘筋^是通過同軸電纜傳輸被測信號電纜必然存在電感,電感存在就會與探頭輸入電容產(chǎn)生共振。如果共振頻率在示波器模擬帶寬以外不會對波形觀測產(chǎn)生影響;但如果阻抗或電容較大,發(fā)生共振時(shí),示波器可能觀測到被測信號本來沒有的紋波或震鈴。
1~2cm長度電纜的電感值約為10nH,上文介紹三種探頭的共振頻率如表1顯示。
此外,除了探頭輸入端中存在的電感,還需要注意探頭地線中電感所產(chǎn)生的影響。
那么,使用探頭測量時(shí),如何抑制共振的產(chǎn)生呢?
首先在使用示波器確認(rèn)輸入信號時(shí),建議所使用探頭輸入端和地端盡量短。如果對被測信號再現(xiàn)性有更高的要求,則需要將探頭輸入端與被測端直接相連,使用較粗的銅線與探頭地端相連以盡量減小地線電感的影響,如果探頭輸入端無論如何無法直接連接到被測端時(shí),則在探頭輸入前端附加50~100Ω的電阻,以防止共振產(chǎn)生。在該情況下,因附加電阻,測量系統(tǒng)模擬帶寬將被降低,以抑制因共振而產(chǎn)生的震鈴,使被測波形接近原始波形。
電纜特性
一般在測量時(shí),通過同軸電纜將被測信號傳輸?shù)绞静ㄆ?,電纜因具有柔軟性和高頻特性目前被廣泛選用。但是,在實(shí)際使用過程中,即使電纜存在很小的彎曲,該彎曲部分導(dǎo)電體也會被損壞,使其電感值發(fā)生變化,影響電纜的傳導(dǎo)特性/反射特性,以至于不能正確觀測波形的高頻成分,這是影響高頻波形觀測的一個因素,所以在使用同軸電纜觀測時(shí),盡量使電纜不要彎曲,才可以zui大限度再現(xiàn)被測波形。
觀測高頻信號時(shí),需要選擇合適的探頭,更需要掌握正確使用探頭的方法。希望本文能夠?yàn)樽x者在高頻測量時(shí)提供幫助。