示波器探头对 测量结果的准确性以及正确性至关重要,它是连接被测 电路与示波器输入端的 电子部件。市场上提供了数百种、甚至上千种不同的示波器探头。其中无源电压探头比较多见,无源探头由导线和连接器制成,在需要衰减或补偿时,还包括电阻器和电容器,为不同电压范围提供了各种衰减系数,如1:1和10:1,即我们通常所说探头的X 1档和X 10档。我们在测量时,要求探头对被测的电路影响必须达到最小,并希望对测量值保持足够的信号保真度。 先来看看示波器的探头的基本原理: 一般示波器的垂直偏转灵敏度是固定的,5mV/格 5V/格,荧光屏垂直方向共8格,也就是说,满屏最大也只能看到40V,为扩大可观信号的幅度范围,就要用探头,它可使示波器的垂直偏转灵敏度在很大范围内调节,如用探头上的×10档,可观测的幅度就能达到400V了。而对于探头的要求是输入电阻要高,同时在示波器的整个通频带内衰减的分压比均匀不变。要达到这个要求,仅用简单的电阻分压是达不到目的的。因为在下一级的输入及引线部分都存在分布电容,这个分布电容的存在,对于被测信号的高频分量有严重的衰减,同时还会造 成信号的高频分量的失真(如:脉冲上升时间变慢)。为此,一般 探头采用的是阻容补偿分压器。 则分压比为:可Uo= zo= Ro (1 +j toC iR可1) 可式3 当调整探头电路中的可变电容元件c ,使R ×C。=R。XC。 在式3中,由于l+j‘^)C。R =1+j∞coRo则式3中分压比变 ⋯为: 可U o1 =击Z 。+Zo =丽Ro(1+ j(I)C I R l R 。(1+j(.) cono ) :丽R0n+oRl ⋯式4 此时,分压比在整个通频带内是均匀的,与频率无 1。 立,然而在实际操作过程中是有很大出入的,特别是高频电路 的测量。因为高频信号电路一般都有内阻,5O欧至几千欧,就 是带功率输出的高频信号发生器电阻也有50欧或75欧(但一 般不进行高频信号发生器本身的定量分析,也无测试的必要), 大量的测试是在各种有高频信号的一般放大电路中进行。这种 高频放大电路,其频率上了2MH 以上,内阻常在1千欧至5 千欧左右,此时用带宽为20 MH 的普通示波器很难对这种高 频放大电路的幅频特性进行准确的定量测量。 让我们从示波器的参数性能指标来说明,以模拟示波器 CA8020技术参数为例 垂直系统: 带宽(-3dB)DC:0—10MHz,AC:10Hz一20MHz 输入阻抗(1:1)1MQ±3%,25pF±5pF。 经10:1探头:10MQ 4-5%,15pF4-5pF 将以上参数中的输入阻抗1:1(1MQ,25pV)和经10:1探 头(10Mn,15pF)分别画出等效电路,如图3、图4所示。并分 别用OrCAD Capture 软件做仿真幅频分析(设定Ri=IK, Us=IV,f=lMHz~100MHz)。如图5、图6所示。 I 示波器等效输入电路 【作者简介】赵珊(1960一),女,安徽寿县人,工程师,从事电类基础实验实训教学工作。 63 Ri 被测电路等效 输出电路 图3探头1:1的等效电路 放 I 路 效辁.1II 躁L 被器等效掬入}乜强 图4探头10:1等效电路 图5中,屏幕正中的提示框内:A2表示lv的信号源幅度 信号,A1表示下降3db处的带宽。频率从1H 至100MH 。信 号幅度降至0.707V,此时的频率是6.35MH 。即U。=Us(D U。 (Rj:1K.R0.1M,co )=us(D,频带1 H -6.35MHz,当用1:1探头测量 频率超过6.3 5MH 的被测电路,误差将大大增加。 图6中,A1表示下降3db处的带宽,A2表示1V的信号 源幅度信号,频率从1Hz至100MHz;信号幅度降至0.707V, 此时的频率是1 0.59MHz。即U0(HI o o=15p)=Us∞,频带 1Hz一10.59MHz,当用10:1探头测量频率超过10.59MHz的被 测电路,误差将大大增加。 图5 U0(RII1KR0:1M 嗡。)=us(o 图6 U0(Ri:1 ㈣o ll5 =us(0 那么按照CA8020模拟示波器技术参数,要求被测电路的 内阻不小于多少才是准确的呢? 经仿真幅频分析,得出的结论是: 用探头X 1档时,被测电路的等效阻抗值是315欧,小于 或等于此值,它的可测带频才达到示波器说明书中20MHz的 带宽; 用探头×10档时,被测电路的等效内阻边缘值是530欧, 小于或等于此值,它的可测带频才达到示波器说明书中 2OMHz的带宽; 以上的仿真分析,在实验室的实际电路测试中也得到了证 实。所以使用示波器测量时,尤其是在高频电路的测量中,应注 意探头的分布电容参数对被测电路的影响,同时尽可能地使用 10:1的探头。在选用示波器时,一定要选用输入分布电容参数 比较小的,否则测量误差会比仪器说明书中的要大很多。 以上信息由西安安泰测试设备有限公司整理,希望对您能有所帮助。西安安泰测试设备有限公司是一家专注于电子测试及工业测试领域仪器销售与仪器维修的专业公司。为客户提供“丰富的测试 产品选择、完整的系统测试解决方案、专业的测试软件开发、全面的技术支持及售后服务”。目前公司主要进行电子测试仪器的销售及维修,自研产品的开发,已经成为西北地区规模最大的仪器综合服务商之一。 测试仪器维修事业部拥有多名丰富维修经验的高级工程师,能够完成各种测试仪器与测试系统的芯片级维修。我们提供免费样机试用,免费专业工程师培训,免费测试技术交流。
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