示波器探头基础

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示波器探头基础知识

示波器探头基础知识示波器探头原理---示波器探头工作原理示波器探头不仅仅是把测试信号判定以示波器输入端的一段导线，而且是测量系统的重要组成部分。

探头有很多种类型号各有其特性，以适应各种不同的专门工作的需要，其中一类称为有源探头，探头内包含有源电子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件如电阻和电容。

这种探头通常对输入信号进行衰减。

我们将首先集中讨论通用无源探头，说明共主要技术指标以及探头对被测电路和被测信号的影响，接着简单介绍几种专用探头及其附近。

屏蔽示波器探头的一个重要任务是确保只有希望观测的信号才在示波器上出现，如果我们仅仅使用一普通导线来代替探头，那么它的作用就好象是一根天线，可以从无线电台、荧光灯，电机、50或60Hz的电源的交流声甚至当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号，这类噪声甚至还能注入到被测电路中去所以我们首先需要的是屏蔽的电缆，示波器探头的屏蔽电缆通过探头尖端的接地线和被测电路连接，从而保证了很好的屏蔽。

一．探头构造图：4. 一个探头，就算它只是简单的一条电线，它也可能是一个很复杂的电路。

a）对于DC 信号( 0 Hz 频率)，探头作为一对导线与一系列电阻，就向一个终端电阻一样。

b) AC 信号的特性变化是因为：电线具有分布电感(L)，电线具有分布电容(C)。

分布电感反作用于AC信号，在信号频率增加时，阻止AC信号通过。

分布电容反作用于AC信号，在信号频率增加时，减小 AC信号电流通过的阻抗。

这些反作用元件(L 和 C )的交互作用，与电阻元件(R)一起，成为随信号频率不同而变化的探头阻抗。

示波器选型（探头技术指标参数的意义）自从示波器问世以来，它一直是最重要，最常见的电子测试仪器之一，由于电子技术的发展，示波器的功能在不断上升完善，其它性能和价格也是五花八门主，其探头也是从单一到复杂。

一。

频宽和示波器一们，探头也具有其允许的有限带宽。

示波器探头入门

1-1 中加以说明，探头在此测量图中作为一个未定义的方框而被指明。

探头事实上无论它是什么，它必须在信号源和示波器输入之间提供足够便利的和高质量的连接(图 1-2 )。

适当的连接有3个关键性的定义问题-物理连接，对电路运行的影响，及信号的传送。

图1-1. 探头是在示波器和测试点之间进行物理和电路连接的设备。

图1-2. 大多数探头由一个探头尖，一根探头电缆线，及一个补偿盒或其它类型的信号调节网络组成。

1理想的探头在理想世界中，理想的探头将提供下列关键的属性：连接简单和便利绝对的信号保真度零信号源极负载完全的噪音抗扰性连接简易和便利。

一个连接到测试点的物理连接已经作为探测的关键要求之一被论及。

使用理想的探头，你应该能够使物理连接简单及便利。

对于小型化电路，如高密度的表面装配技术( SMT ) 电路，微型探头及多种类的为SMT设备设计的探头尖适配器，能够使连接简易及便利。

图 1-3a所示，为这样的一个探头系统。

然而，这些探头，对于具有高电压和普通标准导线的工业功率电路而言，是太小了。

对于功率应用，需要应用更大尺寸的具有更多边缘保护的探头。

图1-3b和表1-3c是此类探头的例子。

图1-3b是一根高电压探头，图1-3c是一个通用探头上的夹具。

从这几个物理连接的例子可以看出，对于所有的应用来说，没有唯一的理想的探头尺寸及外形结构，因此，我们设计了各种各样尺寸外形及结构的探头，从而满足各种各样的应用和物理连接的要求。

绝对信号保真度。

理想的探头应该忠实地将信号从探头尖传送到示波器输入端。

换句话说，探头尖处的原有信号应当被忠实地复制到示波器输入端。

a. 探测 SMT 设备。

b. 高电压探头。

c. 通用探头上的夹具。

图1-3 多种多样的探头可应用于不同的技术应用及测量需求之中。

2图 1-5 . 探头和示波器设计为在规定的带宽范围上进行测量。

超越了 3 dB 点的频率，信号振幅极度削弱，测量结果是无法预知的。

图 1-4 .探头是由分布式的阻抗、感抗、电容组成。

示波器及探头使用

示波器及探头使用公司目前使用的示波器以数字示波器为主，分为两类，一类是福禄克（FLUKE）数字示波器，另一类是泰克（Tektronix ）,另外还有一台建伍（KENWO0D）模拟示波器。

示波器在生产和研发中都是非常重要的一种仪器，而且也是非常昂贵的一种仪器，所以正确使用示波器不仅能提高工作效率，也能减小对示波器的不合理损耗。

一、示波器基础知识♦什么叫示波器？示波器本质上是一种图形显示设备，它描绘电信号的图形曲线。

在大多数应用中，呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程：垂直（Y）轴表示电压，水平（X）轴表示时间。

有时称亮度为Z轴。

这一简单的图形能够说明信号的许多特性，例如：信号的时间和电压值振荡信号的频率信号所代表电路的“变化部分” 信号的特定部分相对于其他部分的发生频率是否存在故障部件使信号产生失真信号的直流值（DC）和交流值（AC）信号的噪声值和噪声是否随时间变化。

♦波形测量频率和周期不断重复的信号具有频率特性。

频率的单位是赫兹（Hz）,表示一秒时间内信号重复的次数。

成为周期每秒。

重复信号也具有周期特性，即信号完成一个循环所需要的时间量。

周期和频率互为倒数关系，即1/ 周期等于频率，同理1/ 频率等于周期。

电压电压是电路两点间的电势能或信号强度。

有时把地线或零电压作为参考点。

如果测量的是波形从最高峰值到最低峰值的电压值，则称为电压的峰值- 峰值。

幅度幅度是指电路两点间电压量。

幅度通常指被测信号以地或零电压为参考时的最大电压。

其他有些示波器还提供了测量相位、占空比、延时、上升时间等的功能。

♦示波器的分类模拟示波器本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。

示波器屏幕通常是阴极射线管（CRT。

电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。

当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。

在屏幕同一位置电子束投射频度越大，显示得也越亮。

示波器探头的基本知识

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P&C SBG Peripherals SBU
Leabharlann 第三, 信號源的幅度(最大,最小值) 信號源的幅度考慮也非常重要, 用很大量程的探頭來測試小信號,一是精確度的考慮,二是大才小用, 如果信號源的幅度很大,超過了探頭的承受能力,就會損壞探頭. 第四物理連接考慮因素 1.方便連接 2.安全方面考慮 3.連接線太長會引入干擾
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7.CMRR(共模抑制比): 這個參數是指差分探頭的一個最重要的指標. CMRR會隨頻率的提高而下降. CMRR=Ad(差分信號電壓增益)/Ac(共模信號電壓增益)
8. 傳播延遲: 傳播延遲是探頭器件及信號通過這些器件從探針傳送到示波器連器所需要時間的函數.通常情況傳播延遲是由於探頭的電纜導致的.
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3)該探頭的量程是 DC15A current 和 50A peak pulse current. 這個量程在我們的測試中很容易突破,所以需要非常小心.用該探頭測試輸入電流時,一般在正常工作時其電流是不會超過15A的,但在開機的瞬間,inrush current會遠遠高于50A, 達到200多A,甚至超過300A. 所以在做這樣的測試時需要先將探頭取下,待電源工作穩定以後再加入探頭.
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2)無源探頭的地線是同示波器的大地連接在一起的. 示波器廠商設計該類探頭就只是用于測試以大地為參考點的信號,不能測試電源一次側的信號.雖然我們的示波器都是把地線剪掉了的,這就相當于示波器變成了一個浮地的設備,變得可以測試一次側的信號,但是從準確性,安全性方面來說都是欠妥的.在我們部門出現過用10X電壓探棒測試二次側電壓跟100X電壓探棒測試輸入AC電壓,結果把100X電壓探棒的接地線瞬間燒斷的事故.如果需要同時監測一次,二次側的信號的情況,一次側請用差分探棒. 3)探頭在使用的過程中要注意輕拿輕放,因為10X探棒的接地線比較細,非常容易折斷.

示波器基础-探头ABC_002

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用了这么长时间示波器你可曾了解示波器探头

用了这么长时间示波器你可曾了解示波器探头
想要将示波器发挥到最大的作用，我们更了解示波器是非常重要的。

下面讲解一下示波器探头的一些知识。

示波器探头：
通常按测量对象来分，有电压探头和电流探头两种。

电压探头包括无源探头和有源探头，无源探头里有1X、10X、100X和1000X的，最高可以测得40KV的高压;有源探头主要是包括普通有源探头和有源指差分探头，对于有源探头，最大的安全电压限制经常是几十伏。

为了避免个人安全上的危险及潜在的损坏探头的危险，知道被测量的电压范围及需要使用的探头的电压限制，是非常有必要的。

有源差分探头帮助你观察差分信号。

差分信号是信号间的彼此参考，而非对地参考。

当使用相匹配的单端探头对时，差分探头具有更高的性能，提供高的CMRR，宽带宽，以及最小的输入信号间的时间差异。

高带宽差分探头提供极佳的信号保真度，能够满足工程技术人员在快速时钟速率和时钟沿速率下设计和调试的需要。

电流探头包括交流探头和交直流探头，即AC电流探头和AC/DC电流探头，AC电流探头通常是无源探头，AC/DC电流探头通常是有源探头。

关于示波器的一些问题：
1. 示波器高压探头用途是什幺?
a、示波器本身是电子测量仪器，只能接受较低的电压输入。

示波器高压探头的作用是将高电压变换为低电压供示波器测量分析用。

b、示波器高压探头一般采用差分探头。

其输出差模电压很小，但是共模电压仍然很高，测量时，需注意操作者及示波器与大地绝缘。

示波器探头基础知识培训

TekProbeTM 探头接口
TekProbeTM 探头接口
基于BNC的探头接口形式泰克在80年代中期发明提供有源探头的供电提供探头倍率的自动识别提供探头类型的自动识别提供工程单位的显示理论上最好的BNC系统的带宽是4GHz
C2 = low frequency compensation. Scope input C varies.
系统的带宽
系统的上升时间 tr(10%~90%) tr(System)=√tr(scope)2+tr(probe)2
系统的带宽
BW(-3dB)
1
BW(SYSTEM)=
√(1
)2 + ( 1
f0 =
1
2 p (RC||RP)(CC+CP)
NOTE: Vcc is an AC Ground
探头对被测点的影响
例如：Rc＝10K Re＝10 Cc= 100pF
Rp＝1M Cp=20pF
原电路增益和截止频率：增益＝ 1000 截止频率＝ 1/2 *p*10k *100pF=160KHz
等效阻抗
标准附件
与各种电路连接的附件
探头附件
泰克的无源探头家族
1X无源探头－ P6101B 通用无源探头－10X，1 MΩ 输入阻抗
P3010 • P6103B • P6109B • P6111B • P6112 • P6114B • P6117 高性能无源探头－ 10X读出，10 MΩ 输入阻抗
探测小尺寸电路
当今的小尺寸/表面贴封电路已经非常普及
各种探头附件应对小尺寸电路
各种探头附件应对小尺寸电路
无源探头选型考虑的因素

有关示波器探头的使用介绍

有关示波器探头的使用介绍什么是示波器探头示波器探头是一种用于测量电子设备和电路的工具。

它可以将电路上的信号引出，放大并转化为示波器可读取的信号。

使用示波器探头可以非常方便地查看电路中的电压、电流和频率等参数，为工程师的电路设计和故障排查提供了关键性的帮助。

示波器探头的种类被动探头被动探头是最常见的示波器探头，由一个尖锐的金属探针和一条导线组成。

被动探头的工作原理是通过探针接触电路上的信号点，将信号引入示波器中。

由于被动探头没有功率放大功能，因此它不会对电路的电性能造成负面影响。

被动探头适用于大多数普通的测量工作，其带宽范围通常在100MHz以下，可以满足大多数基本电路设计和维护所需的测量需求。

高阻探头高阻探头是一种比较特殊的示波器探头，通常用于测量高电阻的电路。

它采用了高阻电路设计，可以确保在测量高电阻电路时不会对电路产生负面影响。

高阻探头的带宽范围通常在几十MHz以下，适用于需要测量高电阻电路的测量工作。

差分探头差分探头适用于测量差分信号，它由两个探针组成，能够同时测量两个信号并将其相减。

差分探头采用了特殊的设计以便保持双向电路的平衡，同时消除来自电源线和环境干扰产生的噪音。

差分探头主要用于测量信号源之间的差异，特别适用于对高精度、低噪声的测量需求。

当前探头当前探头适用于测量电路中的电流，通常由夹子和测量头两部分组成。

电流探头通过夹住电路中的线圈来测量电流。

当前探头通常用于测量高电流电路中的电流，其带宽通常在几十MHz以下，但它的测量精度非常高。

示波器探头的使用技巧示波器探头在使用过程中需要注意一些技巧，以确保测量结果的准确性：1.确保探头正确接地。

示波器的地线一定要接到被测电路的地线上才能进行准确的测量。

2.确认探头接触点。

要确保探头与被测点接触良好，避免探针和接触点之间出现接触干扰。

3.确认测量范围。

在测量之前，要确定要测量的电压范围和频率范围，选择合适的探头才能够测量出精确的结果。

4.选择合适的探头。

示波器-探头图解使用方法

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3.3.1 触发调节的作用
波形不稳定，轻则波形或向左或向右移动不止，重则多个波形交织重叠在一起
波形稳定，静止清晰
返回
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3.3.2 触发源选择
触发源选择菜单
用屏幕菜单键选择触发源
按触发菜单
键调出触发菜单
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3.3.2 触发源选择
▪ 触发源选择原则
➢单路测试时，触发源必须与被测信号所在通道一致，例如，Y通道CH1测试时触发源必须选 CH1，否则波形将不稳定。
数字示波器首先将被测信号抽样和量化，变为二进制信号存贮起来，再从存贮器中取出信号的离散值，通过算法将离散的被测信号以连续的形式在屏幕上显示出来。
返回
5
2.1 面板介绍 2.2 屏幕刻度和标注
2.示波器面板介绍
返回
6
2.1 示波器面板介绍
电源开关：控制校示准波信器号电：提供1KHZ 3V
源的通断的基准信号，用于示波器
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2.1 示波器面板介绍
辅助测量操设作置方式：控提制供：显提示供方“式自、动测调量整方”和“显
式、光标示方静式止、”采两样种频选率择、应用方式等
选择
10
2.1 示波器面板介绍
屏幕菜单选择
测量辅助设置
辅助操作
稳定触发
校
电源开关
屏幕
Y轴调整
输入插座
扫描调整
准信号11
2.1 示波器面板介绍
数字示波器操作
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1. 基本功能与种类
1.1 示波器基本功能将电信号转换为可以观察的视觉图形，
以便人们观测。若利用传感器将各种物理参数转换为电信
号后，可利用示波器观测各种物理参数的数量和变化。.

示波器探头知识

示波器被誉为“电子工程师的眼睛”，作为示波器不可缺少的组成部分，示波器探头的参数直接影响到测试结果的准确性及正确性，因此，能否正确选取合适的示波器探头直接关系到测试工作的成败，作为一名电子工程师，我们必须知道各种示波器探头的特点、原理及适用场合。

示波器探头的种类有很多，大体上可以分为电压、电流、逻辑等几大类，如下图所示：♦电压探头理想中的电压探头没有负载效应，不会对测量造成任何影响，同时对信号没有任何失真。

理想探头具备如下特征：1).输入电阻无限大；2).输入电容为0；3).带宽无限大；4).动态范围无线大；5).1:1衰减；6).无延迟；7).无相位偏移；8).机械结构适合测量应用。

在实际中，这种理想探头是不存在的。

为了说明探头对测量的影响，我们可以把探头模型简单等效为一个R、L、C电路，把这个模型与被测电路放在一起，如下图所示：如上图所示，Rprobe是探头的输入电阻，为了尽可能减少探头对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe越大越好，但是Rprobe是不可能做到无穷大的，所以就会和被测电路产生分压，使得实测电压比实际电压小。

为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。

大部分探头的输入阻抗在几十K欧姆到几十兆欧姆之间。

Cprobe是探头本身的输入电容。

这个电容不是刻意做进去的，而是探头的寄生电容。

这个寄生电容也是影响探头带宽的最重要因素，因为这个电容会衰减高频成分，把信号的上升沿变缓。

通常高带宽的探头寄生电容都比较小。

理想情况下Cprobe 应该为0，但是实际做不到。

一般无源探头的输入电容在10pf 至几百pf 间，带宽高些的有源探头输入电容一般在0.2pf 至几pf 间。

Lprobe是探头导线的寄生电感，通常1mm 探头的地线会有大约1nH 的电感，信号和地线越长，电感值越大。

探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路，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。

2024年度示波器探头基础入门指南(上)

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示波器探头使用注意事项
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正确连接示波器与探头
确保示波器与探头之间的接口匹配，避免使用不合适的转接器或适配器。
将探头的接地夹连接到被测电路的接地端，确保测量的准确性和安全性。
在连接探头前，确保示波器和探头均已关闭电源，以防止电气冲击。
拧紧探头与示波器之间的连接螺丝，确保接触良好，避免信号失真或噪声干扰。
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1. 提取电路中的信号
3. 提供适当的阻抗匹配，以减小信号失真和反射
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种类与特点
种类
1. 无源探头
2. 有源探头
2024/3/24
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种类与特点
3. 差分探头
4. 电流探头
特点
2024/3/24
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种类与特点
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无源探头
简单、低成本，但带宽和负载效应有限。
有源探头
带宽限制
探头的带宽是指其能够准确传输信号的最高频率。在选择探头时，需要根据被测信号的频率范围选择合适的带宽，以确保信号的准确传输。
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探头对地电容影响
对地电容的定义
探头对地电容是指探头与地之间的等效电容。这个电容会对被测电路产生影响，尤其是在高频信号测量中。
2024/3/24
对地电容的影响
对地电容会与被测电路中的其他元件形成谐振回路，导致信号失真或产生振荡。此外，对地电容还会引入额外的噪声和干扰，影响测量结果的准确性。
频率响应
频率响应描述了探头在不同频率下的幅度和相位特性。理想的探头应具有平坦的频率响应，即在不同频率下具有相同的幅度和相位特性。
2024/3/24

示波器和探棒基础知识

• 具体到测试项目
• CLOCK测试:示波器选用TDS7404B (4G) 6154C(15G) 探头选P7330 P6248 (差分) P7240 P6245(单端) 以1600 CPU CLK的Rise Slew Rate Spec 0.6<Rise Slew rate<4(150mV Window)换算 26.7ps<Tr<180ps,1/3*180=60ps,实际TDS7404 Tr=72ps(20%-80%),基本满足测试需求.如更快的上升时间则相对需要更高带宽的示波器以及探头;
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采样率的理论
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选择量测系统
• 估计待测信号的电压,频率,上升时间 • 选择动态范围满足电压幅度的探头 • 估算信号的实际带宽=0.35/tr • 选择带宽为信号带宽3~5倍的探棒和示波器 • 确定需要量测参数的特殊要求(示波器的带宽是否可选,
示波器是否有累计功能等) • 将选择到的示波器和探棒根据量测的参数 • (量测DC相关参数的时候选择垂直精度高的示波器和输
• 1394测试: 示波器选择TDS7404B ,探棒选择P6248,目前我们主要测试的为1394a的Spec,其最高速率为 400Mbps,Tr<=1.2ns,1/3*1.2=400ps,DPO7104示波器 Tr=225ps,225ps<400ps,1G带宽以上示波器完全满足测试需求.1394b最高Support3.2Gbps的Data Rate,Tr<=100ps,1/3*100ps=33ps,12G示波器及以上;
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示波器带宽最少要看到信号的5次谐波分量
• 测试系统带宽和信号带宽的不同带来的测试误差
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示波器带宽v.s.正弦波振幅

示波器探头原理及种类

示波器探头原理及种类（1）任何使用过示波器的人都会接触过探头，通常我们说的示波器是用来测电压信号的（也有测光或电流的，都是先通过相应的传感器转成电压量测量），探头的主要作用是把被测的电压信号从测量点引到示波器进行测量。

大部分人会比较关注示波器本身的使用，却忽略了探头的选择。

实际上探头是介于被测信号和示波器之间的中间环节，如果信号在探头处就已经失真了，那么示波器做的再好也没有用。

实际上探头的设计要比示波器难得多，因为示波器内部可以做很好的屏蔽，也不需要频繁拆卸，而探头除了要满足探测的方便性的要求以外，还要保证至少和示波器一样的带宽，难度要大得多。

因此最早高带宽的实时示波器刚出现时是没有相应的探头的，又过了一段时间探头才出来。

要选择合适的探头，首要的一点是要了解探头对测试的影响，这其中包括 2 部分的含义：1/探头对被测电路的影响；2/探头造成的信号失真。

理想的探头应该是对被测电路没有任何影响，同时对信号没有任何失真的。

遗憾的是，没有真正的探头能同时满足这两个条件，通常都需要在这两个参数间做一些折衷。

为了考量探头对测量的影响，我们通常可以把探头模型简单等效为一个 R、 L、C 的模型，把这个模型和我们的被测电路放在一起分析。

首先，探头本身有输入电阻。

和万用表测电压的原理一样，为了尽可能减少对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻 Rprobe 要尽可能大。

但由于 Rprobe 不可能做到无穷大，所以就会和被测电路产生分压，实际测到的电压可能不是探头点上之前的真实电压，这在一些电源或放大器电路的测试中会经常遇到。

为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求 Rprobe 要大于 Rsource 和 Rload 的 10 倍以上。

大部分探头的输入阻抗在几十 k 欧姆到几十兆欧姆间。

其次，探头本身有输入电容。

这个电容不是刻意做进去的，而是探头的寄生电容。

这个寄生电容也是影响探头带宽的最重要因素，因为这个电容会衰减高频成分，把信号的上升沿变缓。

示波器探头基础知识

ScopeArt先生”团队成员示波器探头是示波器使用过程中不可或缺的一部分;它主要是作为承载信号传输的链路;将待测信号完整可靠的传输至示波器;以进一步进行测量分析..很多工程师很看重示波器的选择;却容易忽略对示波器探头的甄别..试想如果信号经过前端探头就已经失真;那再完美的示波器所测得的数据也会有误..所以正确了解探头性能;有效规避探头使用误区对我们日常使用示波器来说至关重要在绝大多数示波器测量环境下;我们都需要使用探头..示波器探头有很多种;内部原理构造迥异;使用方法也各不相同..本文主要给大家介绍示波器探头的种类及工作原理;探头使用过程注意事项以及如何选择示波器探头..1 示波器探头种类及工作原理对于DC直流或一般低频信号而言;示波器探头只是一个由特定阻抗R所形成的一段传输线缆..而随着待测信号频率的增加和不规则性;示波器探头在测量过程中会引入寄生电容C以及电感L;寄生电容会衰减信号的高频成分;使信号的上升沿变缓..寄生电感则会与寄生电容一起构成谐振回路;使信号产生谐振现象..所有这些都会对我们测量信号的准确性带来挑战..图1 探头电气特性示意图示波器探头按供电方式分可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..如图2所示..图2 无源探头示意图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某些厂家特殊接口标准的探头除外;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..图3所示为日常最为常见的一类无源探头原理示意图;它由输入阻抗Rprobe、寄生电容Cprobe、传输导线一般1至1.5米左右、可调补偿电容Ccomp组成..此类无源探头一般输入阻抗为10M;衰减比因子为10：1..图3无源探头原理图在使用此类探头时;示波器的输入阻抗会自动设置为高阻1M..此时示波器BNC通道输入点的电压Vscope与探头前端所探测的电压值Vprobe的关系满足以下对应关系：Vprobe/Vscope = 9M + 1M / 1M = 10 : 1由关系式可知;示波器得到的电压是探头探测到电压的十分之一;这也是无源探头10：1衰减因子的由来..无源探头具备高阻抗10M;因此它对待测电路的负载效应将在第二部分详述很小;能覆盖一般低频频段500MHz以内;耐压能力强300V-400Vrms;价格便宜;通用性好;所以得到广泛使用..当无源探头的衰减因子为100：1、1000：1甚至更高时;此类探头一般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接口;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..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-ZA9N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-幅度相同;相位相反;所以二者相加应该为零..但在实际工作环境下;Vin+、Vin-上会叠加上噪声干扰Vnoise..由于 Vin+、Vin-所处环境相同;因而在二者上叠加的噪声也往往相同;所以由CM表达式可知：CM = Vnoise.差模Differential Mode：差分信号两端不同的信号成分;用表达式表示为Vdm = Vin+ - Vin-.共模抑制Common Mode Rejection：差分放大器对共模信号的抑制能力;即差分放大器的一项主要能力是对Vnoise进行抑制消除..如果共模电压Vcm经过差分放大器的增益为Acm;差模电压Vdm经过差分放大器的增益为Adm;则我们可以用共模抑制比Common Mode Rejection Ratio即CMRR来表示共模抑制能力;其表达式为：CMRR = Adm / Acm举例如下图：差模信号Vdm幅度为1V;经过差分放大器后幅度为2V;即Adm = 2. 共模信号Vcm幅度为4.5V;经过差分放大器后幅度抑制为0.45V;即Acm=0.1. 因此;CMRR = 2 / 0.1 = 20：1 = 26dB..图14 差分信号测试举例对于理想的差分放大器而言;我们希望其完全抑制共模信号;从而消除噪声Vnoise对差分信号测量的影响..对于一般的差分信号测量而言;20dB的CMRR已经足够;而R&S RT-ZD40的CMRR可达50dB;性能非常优异..图15 R&S RT-ZD40有源差分探头值得一提的是;R&S的有源单端探头和有源差分探头上都配备了MicroButton多功能按钮和ProbeMeter探头计功能..其中;MicroButton是位于有源探头前段的一个微型按钮;用户可以在测试时很方便的按动按钮;从而执行对示波器的特定控制可自定义;如：自动设置、默认设置、单次运行、连续运行等..图16 MicroButton多功能按钮ProbeMeter则是集成在有源探头前端的16位DC电压计;可用来直接在探头点处测试直流电压;这与其他厂家使用探头捕获波形然后输送到示波器;进而对波形进行测量得到DC数值的方案完全不同..很显然;ProbeMeter摒除了探头传输的失真影响;从而具备了0.1%的高精准度..在使用差分探头时;可以借助此功能方便快捷查看单端、共模、差模电压数值..图17 ProbeMeter探头电压计有源差分探头可用于绝大多数较小幅度差分信号的测量;但对于幅度达上百甚至上千幅的高压差分信号而言;有源查分探头就显得力不从心了..此时我们只能借助于高压差分探头的帮忙;相对于一般差分探头而言;高压差分探头具有更高的动态范围;能够承受更高的电压..图18 R&S RT-ZD01 ±1400V 高压差分探头高压差分探头相对于无源高压探头而言价格昂贵;因此有用户在测试高压差分信号时会选择将示波器的电源接地线剪断;使示波器“浮起来”进行测试;这是非常危险的;一定要杜绝此类行为..我们将在第二部分详细说明..电流探头严格意义上说也属于有源探头的一种;几乎所有的电流探头在使用过程中都需要供电..电流探头主要分为三类：AC仅能测试交流电、DC仅能测试直流电、AC+DC..而目前大多数电流探头都具备了AC+DC的测量功能..电流探头的原理如下;主要是利用电磁效应AC测量和霍尔效应DC测量..图19 AC+DC电流探头原理图当有AC电流经过导线穿过电流探头的前段闭合钳口时;会有相应磁场产生;通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈..探头就象一个电流变压器;系统直接测量的是感应电流..如果是DC或者低频电流;当电流钳闭合后;电流导线附近会出现一个磁场..磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转;在霍尔传感器的输出产生一个电压..系统根据这个电压产生一个反相补偿电流至电流探头的线圈;使电流钳中的磁场为零;防止磁饱和..系统根据反相电流测得实际得电流值..电流探头的选择主要依据其测量带宽、量程以及钳口直径等..MSO数字逻辑探头在数字逻辑测试中会经常使用;与一般8bit模拟探头相比;数字逻辑探头根据示波器所设置的判决门线电平;将捕获的电压按照0、1跳变1bit的数字信号在屏幕上显示出来..用户可以根据多路数字信号的逻辑电平及关系来判断逻辑电路的性能..图20 R&S RTO-B1数字逻辑探头EMI近场探头是另一类特殊的探头类型;它实际使用了天线接收原理;用来捕获电路板上空间辐射的电磁场干扰;特别是在系统集成中做EMI电磁干扰的诊断..图21 EMI近场探头示意图除了以上给大家介绍的各种探头之外;还有光探头、温度传感探头及其他各类传感探头等..原则上来说;任何一款能够将各物理量转换成电压信号并具备与示波器互连能力的传感器都可以作为示波器探头;用户可以根据具体使用环境和需求选择适合的探头类型..------未完待续-----------------------------------------作者介绍:聂文伟先生于2008年毕业于北京交通大学电信学院;电磁场与微波技术专业;获工学硕士学位..毕业后供职于ZTE中兴通讯股份有限公司;先后从事无线产品测试与海外营销方面的工作..2012年加入罗德与施瓦茨公司;现任罗德与施瓦茨公司西安示波器业务发展工程师;主要负责西北地区的示波器产品市场推广工作..在示波器探头基础入门指南上一文中;我们主要介绍了示波器探头的种类及其工作原理;接下来我们将介绍示波器探头的主要指标;如何选择示波器探头;以及在示波器探头的使用过程中应该注意哪些问题..2 示波器探头的主要指标2.1 带宽与示波器一样;示波器探头的频响类似一个低通响应..探头的带宽是指探头响应输出幅度下降到70.7%-3dB时对应的输入信号频率..图1探头频响及带宽定义当示波器配合探头使用时;示波器+探头就构成了一套测量系统;此测量系统的带宽满足以下公式：可见;探头带宽越高;对示波器带宽的影响也就越小..一般我们推荐示波器探头的带宽为示波器带宽的1.5倍;即探头带宽略高于示波器带宽..2.2 上升时间探头的上升时间是指探头对阶跃函数10%-90%的响应时间..一般而言;探头带宽越高;上升时间越短..与示波器一样;大多数探头的带宽与上升时间满足0.35公式;即：T rise = 0.35/BWprobe示波器+探头测量系统的上升时间则满足以下公式：2.3 输入阻抗探头一般都标注了输入阻抗值;从50至10M甚至更高..探头的输入阻抗会严重影响探头的负载效应将在第三节中详述..输入阻抗越大;探头的负载效应越小;对待测电路正常工作影响也就越小..输入阻抗越小;探头的负载效应越大;对待测电路正常工作的影响就越大..2.4 输入电容输入电容是有源探头的一项关键指标..有源探头的输入电容一般很小;小至pF甚至零点几pF..小的电容会在高的频带上提供较大的输入阻抗;从而减小负载效应..由输入电容导致的输入阻抗公式如下：R in = 1/2πfCin由以上公式可知;Cin越小;探头可以支持更高的带宽f;这也是为什么有源探头相对于无源探头而言可以提供更大的带宽的原因..2.5 衰减比一般探头都会对探测到的信号进行衰减;然后输送至示波器..最常见的衰减比为10：1;即信号衰减为原始的十分之一;此时衰减比标注为10X..此外;常见的还有1X、100X、1000X探头等..2.6 最大输入范围探头都有最大输入范围;超过一定输入范围则可能损坏探头..3 示波器探头使用注意事项3.1 负载效应探头的负载效应是指被测电路接上探头后;探头与示波器一起组成了待测电路的并联负载;从而吸引一部分电流流入示波器;对原始待测电路上的信号产品影响..如果负载效应很大;则测到的波形与原始波形变化很大;示波器就不能准确测量波形..图2示波器探头接入引起负载效应那么如何评判探头的负载效应呢一般来说;探头接入的输入阻抗应为待测电路待测点处输出阻抗的10倍以上;此时负载效应较小;测量误差在允许范围以内..如下图所示：图3负载效应示例在探头探测前;探测点的电压为5V × 100K/100+100K=4.995V..探头探测后;并联了一个1M的阻抗;此时探测点的电压为：5V × 90.9k/100+90.9k = 4.994V此时;探头引入的负载效应仅为0.001V;可以忽略不计..如果待测点的输出阻抗更高;则需要使用更高输入阻抗的探头..值得一提的是;当我们测试由信号源输出的射频信号时;一般使用的是50传输线缆..50的传输线缆与信号源输出阻抗50相匹配;使功率最大的传输至示波器;从而保证了测量精度..而在某些时候;工程师希望测试电路板上某个探测点处的频谱;往往使用剪断的50传输线缆;在剪断处剥离地和传输芯;用以接触探测点..线缆另一端则连接至频谱仪..图4前段剥离的50传输线缆这种做法则是不可取的;电路板上的探测点与射频源的输出不同;由于传输线的50低阻抗;会对测试点处引入较大的负载效应..正确的做法是;使用高输入阻抗的探头取代50传输线缆;与频谱仪连接..R&S提供了RT-ZA9的BNC-N转接头方案;它可以将高输入阻抗的R&S有源探头1M与频谱仪或接收机相连接;对需要高阻抗测试的DUT进行精准测量..图5 RT-ZA9转接头示意图前面介绍过;探头一般含有电阻、容性阻抗和感性阻抗..电阻的负载效应会对信号DC分量测量造成影响;对波形的幅度测量造成误差..容性阻抗对AC分量的测量造成影响;比如会影响延缓信号的上升时间..感性阻抗则会对波形测量引入振铃现象..图6探头负载效应分类3.2 探头补偿我们在与电子测量工程师的交流中;经常提到探头补偿的问题..当我们购买示波器后第一次使用时;或者因探头资源紧张而临时拿其他品牌探头使用时;都会涉及到探头补偿问题..所谓探头补偿是指示波器与探头连接使用时;调整探头的可变电容;在探头与示波器之间进行频率补偿;使频率达到相对稳定的状态..当补偿完成后;具备如下关系式:R scope × Cscope= Rprobe× Cprobe即：为了最大限度地传送信号;示波器的输入电阻和电容必须与探头输出的电阻和电容相匹配;此时探头具有最优信号传送能力..那么如何进行探头补偿呢探头补偿一般针对无源探头而言有源探头也存在补偿;使用过无源探头的工程师可能会发现;在无源探头与示波器接触的一端上有一个小孔;这个小孔内有一个十字旋钮..通过探头自带的螺丝刀小工具即可深入小孔内调节探头的可调电容值..图7调节无源探头的可调电容值具体原理如下图所示：图8通过调节探头可调电容Ccomp来实现探头匹配探头补偿的步骤如下：连接探头与示波器通道；将探头前端连接至示波器上的探头补偿Π方波信号一般为1KHz、1V的信号；使用自带小工具调节探头可调电容;使得示波器上显示的方波信号的高低电平部分保持平稳;即实现探头与示波器的匹配..在调节探头时;示波器上显示的方波信号可能存在以下三种状态：图9探头欠补偿、过补偿、匹配状态的波形3.3 谐振效应在使用探头测量信号上升沿时;把示波器的时基范围调小;一般能看到在上升沿的过冲部分存在振铃现象;即探头带来的谐振效应..图10探头带来的振铃效应探头不仅存在阻抗以及寄生电容;还存在寄生电感特别是在测试高频信号时..探头是由导线和地线组成的;通常导线及地线越长;电感值就越大..探头上的寄生电感和寄生电容容易形成谐振回路;在输入信号的激励下;在某些频率上产生高频减幅谐振;从而出现振铃现象..图11振铃现象的产生如下图所示;探头的输入阻抗会在特定频率fx处达到最小值..图12探头输入阻抗此时探头的寄生电感、寄生电容以及待测信号源构成谐振回路;出现谐振效应;谐振频率为:其中;Lcon为探头寄生电感;Cin为输入电容..如果谐振频率刚好落在探头带宽范围之内;则在测试此频率的信号时会出现谐振现象..为了降低这种效应;使用者往往使用最短的地线;从而减小探头的Lcon寄生电感;使得fresonance 谐振频率最大化;从而超出示波器探头的带宽范围;也就进一步有效避免了谐振效应..探头地线的长度严重影响谐振效应;以下图片充分说明了地线长短对波形上升沿测量的影响..图13不同长短的底线的谐振效应由图示可知;地线越短;谐振效应越小;上升沿引起的振铃现象越不明显;此时的测量精度也就越高..所以;在测试环境允许的情况下;尽可能地使用更短的地线..3.4 浮地测量问题测量差分信号时;我们往往面临以下3种选择：使用两个通道CH1、CH2;分别测试差分信号两端;然后相减；图14使用两个单端探头测量差分电压使用差分探头测试；图15使用差分探头测量差分电压直接使用单端探头浮地测量；图16使用浮地的方法测量差分信号第1种方法需要两个通道及探头之间的完全一致性..即便如此;两个通道上产生的不同噪声也会对测量结果造成影响;此种方法测试的CMRR共模抑制比很差;不作推荐..第2种方法是最值得推荐的方法;使用差分探头具有高CMRR在示波器探头综述上有记载;测得数值精确..然而;差分探头往往价格昂贵;并非所有客户愿意花重金采购..因而就有了第3种方法;使用单端探头对差分信号直接进行浮地测量..差分信号两端一正一负;如果要使用单端探头进行探测;往往将单端探头的地端与差分信号的负端相接..而单端探头接上示波器后;探头地线会与示波器电源地线共地;从而将差分信号的负端拉至地;对原始差分信号有影响..因此;有人想到浮地测量的方法;即将示波器电源地线剪断;使示波器浮地..浮地测量在电源测试中可能会造成触电危险;因为有些差分电压的负端高达负的上百上千伏..在测试过程中;如果人手不小心触碰到示波器其他通道的BNC接地壳;则会触电因此;浮地测量不是推荐的测量方法..图17浮地测量带来触电危险除了以上3种常见测量方法之外;还可以使用通道隔离的示波器;或者使用隔离电源对示波器供电的方法..在此就不作详述了..3.5 其他品牌探头兼容性问题我们在日常使用示波器时经常出现原始匹配探头丢失或损坏的情况..此时;能够解决问题的办法通常是拿手头上其他品牌的探头临时配合示波器使用..很多人不了解具体情况;插上示波器探头就开始测试;这样往往测得的数值存在很大偏差;是不可取的并非不同品牌示波器和探头不能配合使用;实际上;目前市面上绝大多数品牌示波器的无源探头均具备统一的BNC接口;可以与其他品牌示波器配合使用..但是在正式测量之前;有几点需要注意..首先;一般示波器无法自动识别其他品牌探头的衰减比衰减因子;所以在与其他品牌探头一起使用时;需要在示波器上手动设置探头衰减比;这样才能防止测量值偏差10几倍甚至上千倍的错误..其次;不同品牌的示波器和探头之间同样存在不匹配问题;即前面所述探头补偿问题..所以;在测试之前;需要对探头进行补偿..此外;不同厂家的有源探头包括有源单端、有源差分、部分电流探头等甚至部分无源探头设计为独特接口标准..针对此类探头;有时可采用不同的转换接头使用;如R&S为有源探头提供的BNC转N型的RT-ZA9转接头等..而大多数不具备转接头的探头则无法与其他品牌示波器通用..-----------------------------------完------------------------------------------。

信号测试标准化——示波器探头篇

信号测试标准化——示波器探头篇信号测试标准化研究——示波器探头篇目录一、示波器探头选择依据 1二、TDS694C及探头参数介绍1~4 1）厂商给出的参数1~4 2）几个重要的公式及计算出的参数4三、示波器探头的通用测量规范及校准1）探头的通用测量规范 4 2）示波器及探头的校准方法(1)Signal Path Compensation(SPC) 5(2)Channel/Probe DESKEW 5(3)Probe Cal 5~6(4)Changing Probes After A Probe Cal 63）对P6245、P6249、P6248探头进行Probe Cal校准得到的波形7~9 四、P6248、P6245、P6249测量方法研究1）差分探头的使用方法(1)差分探头P6248的“削波效应”9~10(2)差分探头P6248的接地10(3)差分探头P6248测量对地信号11 2）P6245、P6249、P6248在测量信号时产生时间延时的分析(1)时间延时的定义及产生原因11(2)解决时间延时的方法11(3)P6245、P6249、P6248在测量信号时产生的时间延时11~12(4)P6245、P6249、P6248之间的时间延时关系解决实际测量问题12~13 3）接地线长度对波形的影响13~15 4）P6245和P6249在测量波形时的不同15~17信号测试标准化——示波器探头篇一、示波器探头选择依据：1）选择探头的主要依据：示波器/探头组合的线路负载影响具有极高输入阻抗（极低输入电容何极高输入电阻）的探头将提供极小的线路负载。

选择尽可能低的输入电容和尽可能高的输入电阻的探头用于最佳的信号保真。

1、当线路频率增加和/或上升时间缩短时，电容负载变得相当重要。

2、在DC和低频时，电阻的负载是最重要的。

2）探头衰减率：在用较大的衰减率时。

示波器必须要有足够的增益来浏览衰减信号。

当衰减探头与示波器一起使用时，示波器的输入电阻和输入电容用R2C2表示，探头电阻和电容用R1C1表示。

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