示波器探头是什么_示波器探头原理_示波器探头的使用
归类为无源高压探头。由于其衰减比很大,因此能测量高压、超高压电信号。
图4 R&S RT-ZH10高压探头
还有一类无源探头,其衰减比为1:1,信号未经衰减直接经过探头传输至示波器,其耐压能力不及其它无源探头,但它具备测试小信号的优势。由于不像10:1衰减比探头那样信号需要示波器再放大10倍显示,所以示波器内部噪声未放大,测量噪声更小,此类更适用于测试小信号或电源纹波噪声。
图5 R&S HZ-154 1:1/10:1可调衰减比无源探头
无源传输线探头是另一类特殊的无源探头,其特点是输入阻抗相对较低,一般为几百欧姆,支持带宽更高,可达数GHz以上。图6为输入阻抗为500?的10:1无源传输线探头原理图:
图6传输线探头原理图
传输线探头具备低寄生电容,低输入阻抗的特性,一般用来测量高频信号。在使用传输线探头时应该注意将示波器输入阻抗设置为50?,以与传输线50?阻抗相匹配,传输线探头的典型应用为测量50?传输线上的电信号,通过SMA-N等不同的转换接头,传输线探头也可用在频谱分析仪等其它测试设备上。
图7传输线探头的典型应用
需要注意的是,由于传输线探头的低阻抗,它的负载效应会比较明显。因此,此类探头仅适用于与低输出阻抗(几十至100欧姆)的电路测试。对于更高输出阻抗的电路,我们可以选择使用高阻有源探头的方案,将在后续详述。
图8 R&S RT-ZZ80 8.0GHz无源传输线探头
介绍完无源探头,我们接下来看看有源探头。顾名思义,有源探头区别于无源探头最大的特点是"有源",即它需要提供电源才能工作。如今大多数有源探头都配备有特殊借口,通过与示波器连接从示波器获得电源,而不需要额外提供外置电源(某些型号除外)。下图所示为有源单端探头原理图:
图9 有源单端探头原理图
有源单端探头一般具备高阻抗(1M?上下),低寄生电容。其前端有一个高带宽的放大器,有源探头的供电主要用于此放大器。放大器驱动信号经过50?传输线到达示波器,示波器的输入阻抗需选择为50?作匹配。由于其较低的寄生电容和50欧姆传输,有源单端探头可以提供比无源探头更高的带宽,因此主要应用在高频信号的测量领域。www.diangon.com
优点和缺点往往是并存的,有源单端探头亦是如此。能够测量更高带宽的信号是其优点,但由于需要集成有源放大器,因而其成本相对于无源探头来说更高,一个几GHz带宽的有源单端探头价格可达数万人民币。除此之外,由于高带宽放大器的信号输入范围十分有限,因而其动态范围有限,一般有源单端探头的动态范围仅在几伏范围之内,探头所能承受的最大电压也只有几十伏。
相对于前面所说的无源传输线探头,有源单端探头同样可以应用在低阻抗高频率信号的测量环境,且由于其输入阻抗相对于无源传输线探头更高,因此它的负载效应更小。不仅如此,R&S有源单端探头还可以与RT-ZA9(N型转换接头,USB供电)附件连接,进而用在射频信号源和频谱分析仪上,用来测试特殊环境下的信号,如传统50欧姆同轴线缆无法连接的探测点处,或者需要使用高阻探头探测待测点信号频谱时。
图10 R&S RT-ZS系列单端有源探头与RT-ZA9 N型转换头相连
除了有源单端探头之外,有源差分探头是另外一类重要的有源探头。我们可以从字面上来理解这两种探头的区别,有源单端的前端有两处连接点:信号点和地。有源差分顾名思义主要用来测试差分信号,探头前端有三处连接点:信号正、信号负、地。
图11 有源单端探头前端(左)与有源差分探头前端(右)
有源差分探头的原理图如下:
图12有源差分探头原理图
与有源单端探头相比,其最大不同在于使用了差分放大器。有源差分探头同样具备低寄生电容和高带宽特性,所不同的是,有源差分探头具有高共模抑制比(CMRR),对共模噪声的抑制能力比较强。有源差分探头主要用来测试差分信号,即测试两路信号(一般为相位相差180度的正反信号)的相对电压差,与地无关。
图13差分信号测试原理示意图
上图显示了用有源差分探头测试差分信号的原理,图中红色波形显示的为差分信号Vin+,蓝色波形显示为差分信号Vin-,二者幅度相同,相位相差180度。Vin+和Vin-经由差分探头正、负探测点探测后经过差分放大器放大,然后传输至示波器,最后得到如图绿色差分波形。
这里要介绍几个概念,以便大家能够更好的理解共模抑制比CMRR。
共模(Common Mode):差分信号两端具有相同幅度和相位的信号成分,用表达式表示为Vcm =(Vin+ + Vin-)/2.
由于理想的Vin+、Vin-
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