ds1034a测试测量技术之示波器探头

RIGOL示波器产品与应用

国内销售部苏一

示波器探头基础

探头的基本类型AC/DCZ0高阻差分高压无源有源电压差分有源逻辑无源有源电流无源AC光电测试需求一些探头的指标更接近理想探头，我们根据测量效果分成：好、更好、最好理想探头不影响原始信号–对信号没有负载效应!“0”输入电容无限大输入电阻绝对的信号保真度无限高带宽无限小的上升时间对信号无衰减在所有频率范围具有线性相位方便而又简单的连接机械形状很好地适合应用CABLERin=Cin=0连接方便对原始信号没有影响绝对的信号保真度探头的几个重要概念衰减一个信号的振幅被减小（或放大）处理过程线性相位保持非正弦波形中谐波的相对相位关系（相频特性）负载效应连接探头后由于从源分流电流带来的影响阻抗阻碍或限制AC信号流动的过程由一个有阻抗力的部件（R）和能起反作用的部件（X）组成容性阻抗（Xc）感性阻抗（XL）阻抗（Z）Z＝R＋jX动态范围所有探头都有不应超过的高电压安全限制无源探头通常在几百伏到几千伏有源探头经常是几十伏探头会影响测量结果负载效应测试系统的阻抗至关重要输入电阻输入电容电感信号保真度测量系统的参数也很重要带宽Bandwidth上升时间RiseTimeCABLE连接简便对原始信号的影响最小化良好的信号保真度对信号的负载效应探头连接到被测电路后，探头将分流一部分电流探头和示波器的阻抗值将影响被测信号测试系统的阻抗值(Z)包含:阻型成分(R)非阻性成分(C，L)将随频率而变化好的探头设计使用R,L,C值在一定的频率范围内影响信号保真度、衰减和负载效应DeviceUnderTest(DUT)ZZZMeasurementSystem

(ProbeandScope)

测试点探头输入阻抗100M10M1M100k10k1k10010110XPassive11pF/10M1XPassive100pF/1MActive0.4pF/100kZ00.15pF/5001001k10k100k1M10M100M1G10Gfrequency负载效应–输入电阻Rin的作用类似于分压器越高的输入电阻–越低的负载效应越低的源电阻

–越低的负载效应原始信号100%90%10%0%EsourceRInCInLGroundLeadProbeTipRsource

测得的信号电压幅度

Vmeas=Vsource

RinRin+Rsource输入电阻的影响100%90%10%0%ProbeDUT负载效应–输入电容越小的输入电容–更高的探头阻抗，更小的负载效应随着信号频率的增加，电容效应增加同时负载效应增加输入电容的影响原始信号100%90%10%0%100%90%10%0%EsourceRInCInLGroundLeadProbeTipRsourceProbeDUT信号幅度减小相位变化更长的上升时间

tr2.2(RsourcexCin)~~Example:Cin=100pFtr~220nsecCin=10pFtr~22nsec

IfRsource=1k负载效应-电感地线增长会带来更大的电感为避免产生振铃地线要尽可能短谐振(振铃)原始信号100%90%10%0%100%90%10%0%电感影响EsourceRInCInLGroundLeadProbeTipRsource感性负载效应对测量的影响将短电线接入测试点，能引起信号的保真度。在这种情况下，上升时间从4.74ns（a）被改变到5.67ns（b）延伸探头接地线能引起阻尼振荡在脉冲上出现负载效应-等效负载1XPassive30EquivalentGates10XPassive3.5EquivalentGatesZ0Passive.25EquivalentGatesActive.5EquivalentGates

CMOSDrive25pFLoad3.0pFpergate对于带载能力较差（扇出系数低）的数字电路，连接探头后可能会出现电路不能正常工作的问题，这时需要使用负载效应更低的有源探头。信号保真度–带宽限制测量准确度随频率发生变化示波器和探头的带宽是按照-3dB点定义的探头带宽应当与示波器带宽相符一个100MHz探头用在500MHz示波器将降低测量带宽!30%在-3dB,被测信号将会有30%的幅度下降！Frequency10%20%3%AmplitudeMeasuredSignalActualSignal信号保真度–带宽限制不充足的带宽影响信号为什么前沿会受影响？边沿包含很多高频分量如果测试系统的带宽不足，将无法捕获信号中的高频部分30%Frequency10%20%3%Amplitude发送到示波器的信号不足的带宽减慢降低了上升沿信号保真度–上升时间不足的上升时间同应会影响被测信号为准确表征信号，请遵循1/5thRule原则

Tr,system<1/5Tr,signal

测量得到的上升时间取决于信号本身和测试系统的上升时间

Tr,Measured=(Tr,signal)2+(Tr,system)2ActualMeasured探头补偿大多数探头被设计为匹配特定的示波器的输入电路。然而不同的示波器之间由细微的变化，甚至在同一示波器的不同输入通道之间也有。一个未补偿的探头能导致各种各样的测量错误，特别是测量脉冲上升或下降时间。探头补偿的调节，或者在探头尖端或者在接入示波器输入补偿盒一个探头补偿效果的例子：对方波的影响10:1高阻无源探头C18pFto12pFR19MWR2500WC27-50pFC3

20pFSCOPE1MWR3CABLEGROUND优点高输入电阻宽动态范围价格便宜坚固耐用输入电容C小于1XProbe缺点高输入电容C与50欧姆系统不兼容必须经过补偿1:1无源探头(导线)优点:1X(无衰减)价格便宜缺点:端接输入阻抗很低探头端探头电缆8-10pF/ft*1.5ns/ftSCOPE20pF1MW非端接非常高的反射非常高的输入电容低的带宽6feet地线*典型的导线探头：高校实验室的鳄鱼夹低电容探头（Z0探头）由于电缆被它的特性阻抗终端,输入端可看成50W,noLorC.不需要补偿0.5pF电容是一个加速电容用于补偿电缆的集肤效应(skin-effect).450W0.5pFSCOPE50WGROUNDCABLERigol无源电压探头型号类型衰减比带宽输入阻抗最大电压RP2200无源高阻10：11：1150M7M10MΩ║17pF10MΩ║100pF300V150VRP3300A无源高阻10:1300M10MΩ║13pF300VRP3500A无源高阻10:1500M10MΩ║13pF300VRP5600A无源高阻10:1600M10MΩ║12pF300VRP6150A无源低阻(Z0)10：11.5G500Ω║1.6pF10VRP1300H无源高压100：1300M100MΩ║5.5pF2000VRP1010H无源高压1000:140M100MΩ║3pF20kVpp,7000VrmsRP1018H无源高压10000:1150M200MΩ║1.5pF18KVpk,12KVrms有源单端探头高输入阻抗缓冲放大器置于探头前端用于驱动传输线应用于高阻抗、高频电路单元，需要最小的负载1GHz以上高频信号对负载效应敏感电路C1R1探头仪器R3C2R2BUFFER

AMPGROUNDCABLE有源单端探头优点低输入电容高带宽高输入电阻R适合50W

或1MW无须补偿缺点造价较高动态范围比较小较易损坏需要供电RP71501.5GHz单端/差分探头10:1衰减，30Vpeak示波器单端探头是以地为参考的测量单端探头在以下情况无法准确测量：参考点不是地浮地测量平衡信号由于引入了交流地回路,以地作为测量参考会有问题小信号高频差分信号pppxTDS784A差分探头什么是浮地测量？?+350Volts-350VoltsABOutputpppxTDS784A错误方法:将示波器与地分开零线火线大地示波器电源接地阻抗AB电阻阻抗Va－b探头地线阻抗探头阻抗地环路阻抗地环路电流V

地环路电压电源系统地线阻抗和示波器电源变压器绕组间电容相串联构成的复杂阻抗参考点

“0”V非地cd浮地电压(共摸电压)V

c－d悬浮示波器不要断开示波器的电源地线!操作人员可能触电，非常的危险可能损坏示波器可能损坏被测系统结果是波形扭曲,测量有误差，得到一个错误的测量正确方法：使用差分探头+-toScopeGECV+V-一些术语VOut=Av*VdmVoutVdmVcm-_Av++350Volts-350VoltsAB(VB)(VA-B)差模电压(Vdm):differencebetweenV+andV-;signalofinterest共模电压(Vcm):voltagecommontobothinputs;signaltoreject输入范围共模范围:

指输入端和大地之间的最大电压差模范围:指+端和-端的最大电压DifferentialModeRange-_Av+CommonModeRange共模抑制比

(CMRR)指差分增益与共模增益之比+AvDifferential-modegain=AvCommon-modegain=Vcmo/VcmiCMRR=Av/(Vcmo/Vcmi)-VcmoVcmiCMRR规格值逾大表示性能逾好.在实际应用中,CMRR非常有用.CMRRspecificationsaredeterminedunderidealconditionforcomparisonpurposes.CMRR会随着差模信号频率的增加而降低. FeedthroughFreqFastercommon-edgeswillfeedthroughmore+A-Rigol高压差分探头型号衰减比带宽最高电压阻抗RP1025DX20,X50,X20025M≤140Vpp,45Vrms≤350Vpp,110Vrms≤1400Vpp,450Vrms4MΩ/1.2pFRP1050DX100,X200,X500,X100050M≤700Vpp,230Vrms≤1400Vpp,460Vrms≤3500Vpp,1140Vrms≤7000Vpp,2300Vrms100MΩ/1.2pFRP1100DX100,X200,X500,X1000100M≤700Vpp,230Vrms≤1400Vpp,460Vrms≤3500Vpp,1140Vrms≤7000Vpp,2300Vrms100MΩ/1.2pF电流探头-电流测量方法DC/AC分流DMM电流表分流串接电阻观察电流,非感应式嵌入传感器电流互感器AC电流变换器DC传感器分流法需要断开电路好处精度高不足需将电路断开加入电阻MayeffectcircuitoperationMaylowerpeakcurrents需要差分测量RShunt

Vo=I*RShuntI1turnnturnsiinioutvoutRTerm电流变换器（互感法）基本模式:vout=(iin/n)RTerm铁芯饱和限制了线性电流的范围无DC输出DC成份影响动态性能AC电流探头一边可滑动的设计用于夹住被测线缆探头输出通常是BNC,且对于指定的输入阻抗有指定的系数(mV/mA)无源设计-不需外部电源iinDC电流传感器霍尔器件嵌入铁芯用于将测量中的直流电流成份调理成直流电压输出有源设计,需外部放大器配合两种技术的组合可进行AC/DC测量Bbias+-VoutDC/AC探头系统除了处理AC和DC传感器外,系统的有源电子部分还提供:DC反向电流去抵销使铁芯饱和的直流成份一个探头具有宽范围的转换增益,能具有从mA-A的测量能力具有带宽限制,AC耦合,输出偏置.iinibuckingembeddedHalls