探头的原理及种类

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探头的原理及种类Senior Application Engineer:周英航 ying.hang.zhou@http://

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探头的原理及种类示波器功能的延伸影响测量的准确性不同的应用,搭配不同的探头探头的种类：–––––电压电流光/电转换 (O/E)逻辑物理量:温度,压力...

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基本探头类型

电压逻辑无源有源Z0 High Z High Voltage

电流温度无源有源有源

传感器光电转换

无源

AC Differential

DC

Differential

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探头如何影响测量精确度要得到适当的测量结果，测量附件必須跟仪表及被测物(DUT)密切配合。须考虑的项目包括:––––––

被测量的信号形式(电压、电流、逻辑、其他);信号频率 (DC, Hz, kHz, MHz);信号源阻抗(电阻、电容、电感);待测物连接考虑(DUT及仪表);仪表输入阻抗 (50 ohm, 1 Mohm,其他);仪表带宽或上升时间。

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探头如何影响测量测量系统V CC

没有探头及仪表Gain= - RC RE

CC

RC

探头及仪表V IN RP RE CP

f0=

1 2π RCCC

有探头及仪表Gain= - (RC||RP) RE 1 2π (RC||RP)(CC+CP)

f0=

DUTNOTE: VCC为交流接地

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探头带宽 v.s.系统带宽示波器的测量中，探头是必备的，所以探头带宽亦会影响测量结果，其上升时间影响公式如下：

测量值上升时间=

(信号

上升时间

)+ (示波器2

上升时间

)+ (探头2

上升时间

)

2

由于带宽和上升时间成倒数关系故其带宽公式如下：

1 1 1 1 = + + 测量带宽 信号带宽 示波器带宽 探头带宽

2

2

2

由此式也可看出，示波器及探头的带宽越宽，则对测量带宽的影响越小，也就是說测量带宽越接近信号带宽。

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系统带宽 v.s.正弦波振幅信号频率/系统带宽 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

} 3%示波器带宽为正弦波信号频率的10倍时，有最佳的振幅精确度。

要测量到误差小于3%的正弦波振幅,系统带宽最少需为正弦波信号频率的 3倍。

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 100 97.5 95 92.5 90 87.5 85 82.5 80 77.5 75 72.5 70.7

测量到的信号振幅/实际信号振幅

-3dB

示波器带宽等于正弦波信号频率时，振幅测量误差会达30%或3dB以上。

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探头输入电容及信号源阻抗tr Rs=1k tr=3ns Vsource探头 10 M LGround Lead CIn电容负载Cin使上升时间tr增加

~~

2.2 (Rs * Cin)

Cin= 100pF Cin= 10pF

~ 220 ns(1X探头)~~~22 ns(10X探头)

100% 90%

100% 90%

10% 0%

10% 0%

1X被测探头的上升时间波形

10X被测探棒的上升时间波形

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探头输入阻抗Input Impedance100M 10M 1M 100k 10k 1k 100 10 1 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G Zo 0.15 pF/500 1X Passive 100 pF/1 M Active 1.0 pF/1 M 10X Passive 10 pF/10 M 10X Passive probe loading goes to 159 at 100 MHz

Frequency

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探头接地线的电感效应电感效应造成阻抗不匹配，

带宽越宽影响越大。接地线的长短会影响电感效应的大小，结果会产生脉冲信号的振荡Rs= 50 Vsource tr= 1 ns Lsource探头 10 M LGround Lead CIn 10 pF

接地线等值电感一个10X被测探头 Cin=10 pF及 6英寸接地线的等效线路典型6英寸接地线探头所造成的的振荡频率 1 2π LC

0.5 - 1µH(Ls+Lg)

左侧等效线路的探头所造成的振荡

=

=

50 - 70 MHz

或

tr= 7 - 5 ns

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探头接地线的电感效应

电源线直接连接

BNC探头连接

1”接地线

3”低阻抗接地线

6”接地线

未接接地线

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探头传输延迟测量时序、功率、及延迟时重要的考虑典型的探头延迟范围在 4 ns到 8 ns。不同的探头会造成不同的延迟，需用示波器“deskew(抗歪斜)”的功能来消除探头的延迟。同型探头间的延迟应越小越好，典型的应在 200 ps之內。

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被测探头的低频(LF)补偿

被测电路

C1 8 - 12 pF

探头

示波器

Rsource Vsource

探头 R1

9 M

LGround Lead

探头电缆 8 - 10 pF/ft 1.5 ns/ft 6 feet

500 C3 7 - 50 pF

R3

1 M R2

C2 20 pF

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被测探头的低频(LF)补偿正确补偿过补偿欠补偿

1 ms/div

1 ms/div

1 ms/div

1us/div

1us/div

1us/div

50 kHz

50 kHz

50 kHz

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理想电压探头理想的电压探头模型理想的探头是没有负载效应,也就是不对测量造成任何影响。

Rin=∞ Cin= 0带宽无限大输入电容为 0输入电阻无限大 1:1衰减无延迟无相位偏移(Phase Shift)机械结构适合测量应用带宽

电缆

=∞

动态范围无限大(Dynamic Range)

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典型的电压探头规格型式带宽上升时间输入电容输入电阻

1X无源探头 10X无源探头 Z0无源探头有源探头

15 MHz 100 MHz 500 MHz 3 GHz 9 GHz 500 MHz 4 GHz

23 ns 3.5 ns 700 ps 120 ps 40 ps 700 ps 100 ps

100 pF 13 pF 8 pF 1 pF 0.15 pF 2 pF 0.4 pF

1 M 10 M 500 10 M 100 k