高端示波器差分探头的几个参数是什么意思?
测试那些事儿 2022-09-26

高端示波器的使用通常会用到差分探头,差分探头常见的指标有:带宽、上升时间、精度、衰减比、输入阻抗、输入电容、最大差分测量电压、噪声、延迟时间、超量程报警电压和最重要的CMRR。


1、带宽

带宽是包含探头和示波器带宽的整个测量系统的问题。示波器的带宽应该超过

你想要测量的信号的频率,且探头的带宽应该等于或超过示波器的带宽。从测

量系统来看,实际关心的是探头尖的带宽。带宽定义为幅度与频率曲线上,测量系统比参考值低3 dB 的一个点。


下图中显示了一个响应曲线,并指出了3 dB点。要着重注意一点,测量系统比额定带宽在振幅上低3 dB。这就是说,在对与系统带宽同频率的信号进行幅度测量时,将会有30% 的误差。通常你可以用示波器测量与其带宽相等的信号。然而,如果振幅的精确度极为重要,应该提高示波器带宽。

一般在其面板上会有标注,比如说100M或200M。那么当我们拿到一台差分探头时如何去确认这颗探头是不是能达到厂商标注的如200M的工作范围。这个时候我们需要一台示波器+任意波形发生器,两台仪表中间连接差分探头,框图如下:

将探头输入端的红黑两根表笔通过一个自制的BNC转接头连接起来

探头的另一端连接至示波器的任意端口,具体实际连接图如下所示。

将任意波形发生器输出正弦波,频率为1MHz,幅度为5Vpp。然后将任意波形发生器的输出【Output】按键按下,让仪表正常输出。

将示波器的幅度值显示打开,通过不断改变(增大)任意波形发生器的输出频率来观察,看频率到达多少时示波器上显示的幅度值会改变超出规格范围。如果测试一个频率与示波器标定带宽相同的正弦波信号,电压幅度测试结果将下降为真实电压值的0.707倍,如果用对数表示,则测量幅度将降低3dB。

由于我输出的是5Vpp的电压,所以按照0.707倍的法则,示波器上电压显示的最下线应该是3.535V,如果值小于这个表示超出的量程。我手边是一个200M模拟带宽的差分探头,当频率输出至约220MHz,幅度仍然高于3.535V,所以些款差分探头的带宽指标是满足且超出规格要求的。

上升时间把【MENU】菜单栏的【上升时间】打开即可,在状态栏的下侧会显示对应的指标。


2、输入阻抗和输入电容

输入阻抗和输入电容分为单端对地和两端输入之间,单端对地表示接示波器的端口中心导体和外部地之间的参数。两端输入之间表示表笔两端连接的阻抗值和电容值。


这种我们就需要用到万用表或是LCR表来测量阻抗值的电容值,分别将表笔连接至探头的输入和输出端测试即可。


3、探头延迟时间

每根探头随着信号频率的变化,会产生一些小的时间延迟及相位移位。这是探

头组合的作用,时间为信号从探头尖经过探头组合到达示波器连接头的时间。

通常,大多数信号变化由探头电缆线引起。一根更长的电缆线将导致相应地更长的信号延迟。传播延迟通常仅仅涉及两个或者更多的波形的比较测量。例如,当测量 2 个波形之间的时间差别时,波形应该使用匹配的探头以便使每个信号通过探头时经历同样的传播延迟。另外的例子是在使用电压探头和电流探头的组合进行电源测量时。既然电压和电流探头具有明显不同的结构,他们将有不同的传播延迟。这些延迟是否将对电源测量有影响,取决于被测波形的频率。简单讲:探头延迟时间表示同一个信号经由差分探头的表笔两端输入至示波器和这个信号不经过差分探头,而是直接输入到示波器,是同一个信号,经由两个不同的路径最终到达示波器的延迟时间。

如下图所示,一路信号经差分探头直接输入示波器的CH1通道,另一路信号通过另外一根线进入示波器的CH2通道。虽然是两条路径,但是是同一路信号,看时间差。需要注意的是:任意波形发生器需要输出的是一个正弦波,幅度任意。


4、最大差分电压

探头的技术指标一般都会有最大差分电压这一项,同时探头一般都会有两个档位,量程选择(衰减比),所以最大差分电压都会分开标识。

最大差分电压其实也就是看探头最大能承受的电压值,到达极限以后报警灯会亮。

需要将探头一端接入示波器,另一端接入一个大功率电源,不断调高电源的输出电压看探头的极限值。

通过图片可以看出,这款探头在X50档的档位下,当输入电压达到152V的时候出现了超量程报警。通过示波器能明显的看出。


上升时间

探头对于阶跃函数的10 ~90%响应指出了探头最快的从探头尖到示波器输入端的过渡时间。为了精确上升和下降时间的测量,测量系统(示波器和探头的组合)的上升时间应该比被测量的最快的转换时间快3~5 倍。


精度

对于电压探头,其精确度通常参考于探头对直流信号的衰减。计算和测量探头

精确度通常应该包括示波器的输入电阻。这样,探头精确度的规格说明,仅在探头用于具有假定的输入电阻的示波器的情况下,是正确和适用的。一个对精确度说明的例子是:10X,小于3% (对于示波器输入1 ±2%)。对于电流探头,精度指标是指电流-电压转换的精度。这取决于电流变压器绕组比和终接电阻值及其精确度。带专用放大器的电流探头具有直接以安培/ 每格做过校准的输出,衰减精确度以电流/每格的百分比给出。


衰减比

所有的探头有衰减因数,并且一些探头具有可选的衰减因数。典型的衰减因数

是 1X,10X,及 100X 。衰减因数是探头衰减信号振幅的量。一根 1X 探头不减小信号,或者说不衰减信号,一根 10X 探头减小信号为它的探头尖振幅的 1/10。衰减因子可以扩展示波器的测量范围。例如,一根100X 探头可以测量比其大100 倍振幅的信号。1X,10X,100X这些称号来自过去示波器还不能自动地识别探头衰减,因此需要调整比例因子的年代。例如10X 标记,提醒你所有的振幅测量需要被10 乘。现在示波器的读出系统能自动地探测探头的衰减因子并且因此调整比例因数读出器。电压探头衰减因子一般使用有阻抗的电压分压器技术而获得。因此,具有高衰减因子的探头一般具有高输入阻抗。

余切噪声(有源探头)

余切噪声是有源探头产生探头噪声的的一个方法的一个说明。切线噪声大约是

两倍的RMS(均方值)噪声。但是噪声一般测试不太好测,可能示波器的噪声会将探头的噪声淹没。


共模抑制比(CMRR、差分探头)

共模抑制比(CMRR)是差分测量中,差分探头抑制共模信号的能力。共模抑制比是差分探头和放大器具有优点的一个关键参数,并且它被定义为:


CMRR = |A d / A c |

其中 A d=差分信号电压增益。

        A c=共模信号电压增益。


理想状态时, A d 应该大,A c 应该为零,导致一无限大的共模抑制比(CMRR)。在实际中,10,000:1 的共模抑制比(CMRR)已被认为是相当好了。这意味着,共模输入 5 伏特信号时,在抑制后,输出为0.5 毫伏。这样的的抑制对于在噪音中测量差分信号是很重要的。共模抑制比(CMRR)随着频率的增加而减小,频率在共模抑制比(CMRR)的规格说明中,同共模抑制比(CMRR)本身一样重要。高共模抑制比(CMRR)的高频差分探头比同样共模抑制比(CMRR)的低频差分探头性能好。实际测试过程中经差分探头输入同幅度信号,共模就是将表笔两端短接,然后经一个通路到达示波器。

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