当你拿起一个示波器探头,可能会觉得它就是一个简单的线缆和金属夹子。但事实上,它的内部结构远比这复杂。我们可以把探头模型简单等效为一个R、L、C电路。这个模型由三个主要元件组成:电阻(R)、电感(L)和电容(C)。它们各自扮演着不同的角色,共同决定了探头的性能。
电阻R主要影响探头的负载效应。当探头连接到被测电路时,它会与电路产生分压,导致实测电压比实际电压小。为了减少这种影响,探头的输入电阻Rprobe需要尽可能大。一般来说,Rprobe要大于被测电路的源电阻和负载电阻的10倍以上。这样,探头对被测电路的影响就会降到最低。大部分探头的输入阻抗在几十K欧姆到几十兆欧姆之间。
电感L和电容C则主要影响探头的带宽和信号质量。电感L主要来源于探头导线的寄生电感,通常1mm的探地铁线会有大约1nH的电感。信号和地线越长,电感值越大。电感L和电容C会一起构成谐振回路,当电感值太大时,在输入信号的激励下就有可能产生高频谐振,造成信号的失真。所以,在高频测试时,需要严格控制信号和地线的长度,否则很容易产生振铃。
探头的负载效应是使用示波器时必须考虑的一个重要因素。当探头探测到被测电路后,它实际上成为了被测电路的一部分。这种负载效应包括三个方面:阻性负载、容性负载和感性负载。
阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻,对被测信号有分压的作用,影响被测信号的幅度和直流偏置。为了减少阻性负载的影响,一般推荐探头的电阻R大于被测源电阻的10倍,以维持小于10%的幅度误差。
容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容,对被测信号有滤波的作用,影响被测信号的上升下降时间,影响传输延迟,影响传输互连通道的带宽。为了减少容性负载的影响,一般推荐使用电容负载尽量小的探头,以减小对被测信号边沿的影响。
感性负载来源于探头地线的电感效应。这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振,从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃,需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃。检查确认的方法是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的接地线,以减少感性负载的影响。
示波器探头按供电方式可以分为无源探头和有源探头。无源探头又分为无源低压、无源高压及低阻传输线探头等,有源探头又分为有源单端、有源差分、高压差分探头等。此外,在一些特殊应用下,还会使用到电流探头(AC、DC)、近场探头、逻辑探头以及各类传感器(光、温度、振动)探头等。
无源探头是最常用的一类电压探头,也是我们在购买示波器时标配赠送的探头。无源探头一般使用通用型BNC接口与示波器相连,所以大多数厂家的无源探头可以在不同品牌的示波器上通用。但由于示波器一般无法自动识别其他品牌的探头类型,所以此时需要手动在示波器上设置探头衰减比,以保证示波器在测量时正确补偿探头带来的信号衰减。
有源探头内部一般有放大器,由于放大器工作时需要外部供电,所以叫有源探头。有源探头通常具有更高的带宽和更低的噪声,适合用于高频信号的测量。
在选择探头时,需要考虑被测信号的频率、幅度、带宽等因素。对于低频信号,可以使用高阻无源探头;对于高频信号,则需要使用低阻探头或有源探头。此外,还需要考虑探头的输入电容、电感等参数,以减少对被测信号的影响。
示波器探头的工作原理主要涉及信号的采样和传输过程。当被测信号进入探头时,探头内部的电路对信号进行采样和变换,然后将信号传输给示波器进行处理和显示。
探头内部的信号采样部分主要包括阻抗匹配网络和衰减网络。阻抗匹配网络的作用是将被测信号的源波阻抗与示波器的输入阻抗匹配,以确保
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