無源探頭和有源探頭的區別

2020-12-13 凡實測控

無源探頭和有源探頭

當您購買中低檔示波器時,通常每個示波器通道會標配一個高阻抗無源探頭。相比有源探頭而言,無源探頭更堅固、更便宜。示波器輸入端接 1 M的阻抗時,它們能提供寬動態範圍和超過 500 MHz 的帶寬。

對於是否需要標準無源探頭以外的其他探頭,您可能會碰到一個難題。考慮到標準的無源探頭是針對大範圍探測連接而設計的通用工具,如果要測量具有快速上升/下降時間的高速信號,建議採用具有足夠帶寬的有源探頭。同樣,差分或電流信號的測量也好採用有源差分或電流探頭。因此,可以考慮專用的或在小範圍內有更好表現的有源探頭。

單端、差分或多模

示波器在測量信號時以一個公共參考點(即接地)作為基準。使用示波器和標準單端探頭測得的信號,等於被測器件的特定點與接地之間的電勢差。

如果您需要測量電路中不同元器件上的電壓,而這些元器件未與接地連接,那麼您需要進行差分測量。對此,您需要使用差分探頭。由於差分探頭內的差分放大器會放大兩個探測點之間的信號差,因此,它會抑制兩點上共有的電壓,並將兩個點之間的電勢差提取到示波器的輸入。

差分探頭是高帶寬示波器用戶的常用工具,但該探頭很難顯示組成差分信號的單獨分量。為了測量差分信號的單端和共模分量,用戶迫切需要一款具有高速數據信號測量功能的示波器探頭。

帶寬

示波器和探頭的帶寬被定義為幅度降低 3dB 時的頻率響應。大多數帶寬指標為 1 GHz 或更低的示波器或探頭通常具有所謂的高斯響應,在 -3dB 頻率約三分之一處開始呈現緩慢的滾降特性。帶寬指標超過 1 GHz 的示波器通常具有平坦的頻率或磚牆響應,並在 -3dB 點附近具有更為陡峭的滾降特性。

根據經驗,探頭(或示波器)帶寬應大於或等於您系統上快信號帶寬的 3 倍到 5 倍,以免造成信號頻率分量的衰減。因此,您必須首先確定哪些是具體信號的快上升或下降時間,並從中推算出信號帶寬。如果您參考的是特定的通信標準,那麼您應該能夠找到該標準對於快上升/下降時間做出的規定。確定快上升/下降時間之後,請使用以下公式,根據您所採用的閾值來確定信號的帶寬。

探頭負載

當您將示波器探頭與電路相連接時,探頭成為被測電路的一部分,探頭的電氣特性會對整個測量系統的響應和被測器件的操作帶來影響。探頭將電阻、電容和電感負載引入到被測器件。

在探頭負載的這三個來源中,電容性負載往往麻煩,它會影響到帶寬、上升或下降時間和延遲。電容性負載通常會改變被測波形的形狀。

這裡有一個被測器件的圖表和與被測器件相連的探頭的簡化電氣模型。在理想情況下,V輸入(探頭輸入端的電壓)應當與 V 源(被測器件在探測之前的電壓)相同。在現實中,由於探頭與被測器件相連,被測器件和探頭的阻抗決定了探頭輸入端的電壓。這是一個簡單的電阻分壓器電路。

探頭噪聲

許多工程師都關注探頭/示波器的固有噪聲對測量的影響。有多種因素會對測量的噪聲係數產生影響。不過,您要考慮的一個重要的特性是信噪比。通常,探頭的衰減比越小,會導致信噪比越高、噪聲越低,但同時,它會帶來較低的輸入電阻、較低的動態範圍和較低的共模範圍等。這之間有一些權衡。評測探頭噪聲量的一種簡單方法是檢查衰減比和探頭數據表或手冊中規定的探頭的噪聲電平。

探針附件

測量系統的性能由其薄弱的環節決定。示波器或探頭的帶寬始終是關鍵的技術指標,但是,測量系統不只有示波器和探頭。

事實上,示波器往往「不」是測量系統中薄弱的環節。測量系統還包括探頭、電纜、連接器和夾具。這些元素中的每一個都有可能比示波器帶來更大的帶寬損耗。而與探頭和探頭附件不一樣的是,電纜和連接器通常具有非常低的損耗。

探頭響應校正

對於高帶寬有源探頭而言,探頭響應校正已變得日漸普遍。探頭常見的校正方法是直流調整,它又引起探頭的直流增益和偏置的調整。這種方法已用於大量的無源和有源探頭,以便對直流增益和偏置係數實施妥善補償。

隨著示波器性能提升到幾 GHz 水平,直流校正方法不足以用於高頻響應的表徵和校正。交流校正是指隨著頻率變化的校正方案,旨在調整探頭的交流響應特性,使之與理想探頭的特性一致,所具有的平坦頻率響應達到其額定帶寬(-3dB 點)。在探頭、探頭前端附件和示波器的發展過程中,製造商準確地測量多個器件的 S 參數,對其特性求平均值,並創建出代表常見探頭和示波器系統的校正過濾器。這種形式的校正使得標稱校正的準確度顯著提升,且不會給示波器用戶帶來其他任何不便。

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