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一文了解有源示波器探头/无源示波器探头 1

一文了解有源示波器探头/无源示波器探头 1

探头配件及其用途表 1 列出了 PP018-1-ND 探头附带提供的配件及其用途。
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配件组件使用
弹簧钩与探头尖端相连,固定在电路测试点或元器件上
带鳄鱼夹的接地引线连接到探头接地环,为探头提供回路连接
BNC 适配器安装到探头尖端上,让探头能够插入 BNC 插孔,提供信号和接地连接
探头尖端接地安装在探头尖端接地套管周围,为受测试电路提供短接地连接
IC 尖端绝缘体在探头尖端上,可以提供绝缘,让尖端能够在 IC 的引脚之间切换,让探头能够接触一个引脚,而同时与相邻引脚绝缘
尖端绝缘体安装在探头尖端上,为探头尖端提供绝缘,但最尖端部分除外用于在元器件间距很近的电路板上进行探测,防止出现短路
通道标识环滑到探头和探头连接器盒上的槽中颜色可与探头连接到的通道的轨迹颜色相匹配
调节工具用于调节低频和高频补偿调节器
更换尖端探头的备用尖端,以防原尖端损坏
            
表 1: PP018 探头附带提供的配件及其用途(请参考图 2)。(信息来源: Digi-Key Electronics)。

为示波器选择备选探头有些时候,测量应用可能需要不同的示波器探头。例如,电源测试既需要直接连接,以便进行纹波测量,又需要 x10 高阻抗探头,以便测量电压轨。如果必须在两个探头之间切换,那将会耗费很多时间,但 Digi-Key 列出了多个 x1/x10 可切换探头。这意味着用户无需更换探头,但如何确定适当的替代探头呢?
第一个步骤是确定测量所需的带宽。在本例中,100 MHz 以下的探头带宽即可满足需求。确定探头的最大额定电压,以确保它符合测量要求。最后,确认示波器的输入电容在探头 x10 规范的补偿范围内。

SP300B x1/x10 可切换探头非常适合与具有 15 pF 输入电容的 HDO 4104A 示波器配合使用,带宽为 300 MHz,最大输入为 300 伏特,补偿范围为 10 至 35 pF。
结论要正确应用高阻抗无源探头,就需要掌握有关测试问题和技术的基本知识,还需要具备一些经验,此类探头是一种很好的通用工具,用于将示波器连接到测试电路。请记住,它们并不是探测问题的唯一解决方案,但提供了经济高效的着手点。

了解、选择和有效使用有源示波器探头         


编者按:
这篇有关有源探头的文章是关于探头及其正确使用方法的三部曲系列文章的第二篇。第 1 部分介绍了高阻抗无源探头。本文将讨论单端、差分、高压差分有源探头。第 3 部分将介绍电流探头

与无源探头相比,有源探头可提供更大的带宽和更低的输入电容。在本文中,我们将对照无源探头来介绍有源探头的特征。我们将同时对单端和差分探头进行研究,另外还将介绍探头配件的正确使用方法。

为什么使用有源探头?无源探头非常适合带宽在 50 MHz 以下的测量应用。这是因为无源探头的输入电容在 9 或 10 皮法 (pF) 范围内。这样可以加载受测试器件。这些负载效应随着频率提高而增加。为了避免这种负载效应,有源探头在无源探头的补偿衰减器和示波器输入之间插入了一个放大器(图 1)。

该放大器对连接电缆进行缓冲,让电缆能够端接到标称值为 50 Ω 的特征阻抗。这样可将探头与电缆的容性负载和示波器的输入电路隔离开。该放大器旨在最大程度减小输入电容,标称值为 4 pF。而补偿衰减器进一步减小了此电容。为实现 10:1 衰减,预期的输入电容约为 0.4 pF。但是,输入保护电路和探头尖端五金额外增加了电容。
Teledyne LeCroy ZS1000 1 GHz 单端有源探头是典型的有源探头,具有 0.9 pF 的输入电容和 1 MΩ 的输入电阻。

图 1:高阻抗无源探头和单端有源探头的简化原理图,放大器对连接电缆和示波器输入进行缓冲,同时提供低输入电容。(图片来源:Digi-Key Electronics)

低输入电容扩大了有源探头的有用频率范围。在图 2 中可以看到这一点,该图将 10:1 高阻抗无源探头的输入阻抗与 ZS1000 的输入阻抗进行了比较。

图 2:高阻抗无源探头和 ZS1000 单端有源探头的频率输入阻抗函数曲线。(图片来源:Digi-Key Electronics)

相比无源探头的 10 MΩ 输入阻抗和 9.·5 pF 输入电容,ZS1000 的输入阻抗为 1 MΩ,输入电容为 0.9 pF。在高于 20 kHz 的频率下,ZS1000 的输入阻抗高得多,因而信号负载较小。在 500 MHz 的频率下,ZS1000 的输入阻抗为 354 Ω,而无源探头的输入阻抗则为 34 Ω。

也许最好的比较方式是查看不同探头对快速边沿的响应差异(图 3)。

图 3:使用 50 Ω 直接连接、无源探头、ZS 系列有源探头时,示波器对快速边沿的响应。(图片来源:Teledyne LeCroy)

50 Ω 直接连接的响应被用作参考波形。有源探头响应与参考波形几乎无法区分。由于输入电容较高,无源探头响应有圆角。注意测量的上升时间。参考波形的上升时间(参数读数 P1)为 456 皮秒 (ps),有源探头 (P2) 的上升时间则为 492 皮秒。无源探头的上升时间 (P3) 为 1.8 纳秒 (ns)。

在带宽相同的情况下,有源探头的性能通常优于无源探头。但还必须记住,有源探头需要电源。由于这个原因,有源探头几乎针对不同制造商的示波器均提供了专用连接器。对于 ZS1000 有源探头,它配备了 Teledyne LeCroy ProBus 接口,用于从示波器为探头供电。该接口让探头与示波器连为一体,因而示波器的前面板可以感应和完全控制探头。

与无源探头相比,有源探头的输入电压范围也比较小。对这一点需要特别注意,以防止损坏探头。ZS1000 探头的输入电压范围为 ±8 伏特,最大无损电压为 20 伏特。此电压范围大于当前使用的任何逻辑电平的电压需求,因而这些探头非常适用于高速逻辑测量。
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