如何应用选择适合示波器

概览

示波器探针是模拟测量系统的基本组成部分。如果没有合适的探针,即使是最先进的示波器也无法发挥作用。因此,选择合适的探针以连接被测电路至示波器至关重要。选择探针前必须了解探针的工作原理及其规格参数。衰减比、带宽、阻抗和电容是所有用户在开始使用示波器前都应熟悉的规格参数。

内容

什么示波器针?

示波器探针与测试点建立物理接触并将被测电路的电信号数据传输至示波器。示波器探针种类丰富,包括无源探针、有源探针、差分探针和电流探针,可满足不同测试测量需求。从基础结构看,示波器探针由导电探针尖端、可手动调节的探针主体和连接到示波器的线缆组成。

有源探针和无源探针

图1:有源探针和无源探针适用于不同的应用场合,满足不同的测量标准。继续阅读,了解更多信息。

探针

无源探针应用最广,仅由无源电路元件组成。无源探针可实现从被测点到示波器输入的1:1直通连接,或通过分压器和其它电路实现特定值衰减。无源探针通常成本较低、坚固耐用且应用灵活。其用于电压测量时的带宽相对较低。继续阅读,了解表1中每个探针规格的详细信息。

无源探针SP500XSP500CCP500XCP400X
带宽500 MHz500 MHz500 MHz400 MHz
衰减比10:1100:110:110:1
输入电阻10 MΩ100 MΩ10 MΩ10 MΩ
输入电容11 pF4.6 pF10 pF13 pF
电容补偿范围10-25 pF10-25 pF7-25 pF10-40 pF
上升时间0.9 ns0.9 ns0.7 ns0.9 ns
最大输入电压300 V
(DC + AC峰值)
300 V
(DC + AC峰值)
60 V
(DC + AC峰值)
60 V
(DC + AC峰值)
示波器输入阻抗1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ
连接器BNC至探针尖端BNC至探针尖端BNC至BNCBNC至BNC
线缆长度1.2米1.2米1.2米2米

 

表1: NI提供的无源探针专为优化NI示波器的性能而精心设计。

NI示波器兼容性

并非每一种PXI示波器都能兼容所有探针-某些无源探针的1 MΩ输入电容可能无法适配某些示波器的1 MΩ输入电容。NI的所有示波器探针都配有BNC连接,因此带有SMA或SMB前面板连接器的PXI示波器需安装适配器,如下表所示。

NI示波器SP500XSP500CCP500XCP400X
PXIe-5105
PXIe-5110
PXIe-5111
PXIe-5113
PXIe-5114
PXIe-5122
PXI-5124
PXI-5142
PXI-5152
PXI-5153
PXI-5154
PXIe-5160
PXIe-5162
PXIe-5163
PXIe-5164
PXIe-5170
PXIe-5171
PXIe-51721111
PXI-5922

 

1需要SMB转BNC适配器。

表2: 兼容无源探针的PXI示波器。

负载效应

示波器探针会以多种方式对信号产生影响。探针的输入电阻、电容和带宽将决定传输至示波器的信号的变化。本节将讨论引起这些变化的物理现象。有关这些效应的实际应用,请参见负载效应示例部分。

电路阻抗与示波器输入阻抗共同作用,形成一个低通滤波器。在极低频率下,电容器充当开路,因此对测量影响很小或没有影响。而在高频下,电容阻抗就会显著变大,示波器上可看到电压明显下降。图2所示为此效应在频域中的表现。如果输入正弦波,幅值将随着频率的增加而减小,并且相位会发生偏移。

无源探针的频率响应

图2: 无源探针的频率响应随被测信号频率的升高而下降。

负载也会影响示波器对电压阶跃变化的响应。示波器输入阻抗(以及探针电容)所产生的负载可分为两部分:电阻性负载和电容性负载。图3所示为将探针和示波器输入负载分为电阻性和电容性负载,这两部分可独立分析。电阻性负载完全由示波器的输入电阻引起,而电容性负载则源自探针电容与示波器输入电容的共同作用。

电路负载可分为(a)电阻性负载和(b)电容性负载

图3:电路负载可分为(a)电阻性负载和(b)电容性负载。

图3中的电阻性负载是分压器电路的另一个示例。因此,施加到示波器输入端的电压VIN是Vs的副本,但幅值有所降低。等式1所示为给定VMAX时电压积随时间变化的公式。

该公式说明了带有电阻性负载的分压器电路行为

公式1: 该公式说明了带有电阻性负载的分压器电路行为。

电容性负载的影响更复杂,会导致电压呈指数响应。 VIN是VS电压阶跃的乘积,该阶跃从0伏特逐渐上升至VMAX伏特,如公式2所示。

电容性负载效应会产生随时间变化的对数行为

公式2: 电容性负载效应会产生随时间变化的对数行为。

两种负载效应的阶跃响应如图4所示。电阻性负载会改变电压阶跃的大小,但不会改变波形形状。电容性负载会减缓阶跃的上升时间,但最终会稳定在与理想响应相同的最终值。系统的带宽和上升时间成反比。实际上,由于仪器的带宽降低,脉冲输入的上升和下降时间将增加。

用于本次分析的电路模型可能并不适用于所有类型的实用电路。数字电路的输出电阻(驱动能力)可能会随输出电压变化,从而导致负载效应有所不同。尽管该模型对于此类电路并非完全准确,但电阻性和电容性负载的基本原理仍然适用。也就是说,负载电容会减缓信号的上升速度,而电阻性负载则倾向于改变输出幅值。在数字电路中,上升时间的增加会转化为信号到达下一个逻辑门时的延迟增加。这是由于信号需更长时间才能上升到逻辑阈值,导致下一个逻辑门延迟切换。典型示波器的1-MW输入阻抗足够大,可避免大多数数字电路中的电阻性负载,但1:1探针的电容性负载会给信号引入明显延迟。

图4:电阻性负载(a)改变阶跃的电压水平,而电容性负载(b)导致指数响应。

负载效应示例

本节将举例说明由探测电路引起的两种负载效应。在每个示例中,探测电路所产生的效应会导致设备行为发生根本性变化,甚至可能完全无法正常运行。

电容负载

LC电路(又称振荡电路)包含一个电感器和一个电容器,二者并联。该电路的最终效果是电感线圈在由电感器和电容器决定的特定值处发出谐振频率。频率由公式3决定。

LC电路谐振频率公式

公式3:此公式决定LC电路的谐振频率。

该电路用于商业RFID标签中,我们将以此为例来介绍负载效应。图5所示为RFID芯片中十分常见的LC电路。

常见的RFID LC电路

图5:LC电路用于RFID标签。这是一个十分常见的RFID LC电路。

设计或测试此电路的工程师可能希望探测包含电容的线路。如果工程师在该电路的高电位点连接一个SP500X探针,则探针的电容将与C1并联添加到高电位与地之间的电路中,如图6所示。

图6:如果探针的连接方式不能防止电流流动,则添加探针的输入电容到电路中。

探针引入的额外电容将根据公式4改变LC电路的谐振频率。

SP500X探针引入的额外电容将使LC电路的谐振频率变为原始频率的0.93倍

公式4:SP500X探针引入的额外电容将使LC电路的谐振频率变为原始频率的0.93倍。

由于频率的变化,RFID标签现在发出的频率与预期的发射频率大不相同,无法积累足够的能量被传感器检测,也无法进行正确操作的功能测试。

电阻负载

图7中的振荡器电路包含一个与CMOS逆变器并联的10 MΩ电阻。探针的输入电阻为 10MΩ,以防止以防止大量电流经过探针,并避免影响被测电路。这种情况下,被测电路会包含一个高阻值元件。

可简化手表振荡器电路功能以展示电阻性负载如何影响其运行     

图7:可简化手表振荡器电路功能以展示电阻性负载如何影响其运行。

工程师可能会关注CTRA输入、10 MΩ电阻和晶体振荡器电源的连接点的电位,如图8所示。该探针点将探针的10 MΩ输入电阻与10MΩ电阻并联,形成一个分压器。该电路中的晶体振荡器预计在给定电压下运行。如果振荡器接收到其期望电压的一半,则振荡器可能会间歇性运行或根本无法运行。

图8:在晶体振荡器电路中与10 MΩ电阻并联探测会形成分压器,可能导致其停止运行。

1:1探针

1:1(一比一)探针,又称1x探针,将示波器的1 MΩ输入阻抗连接到被测电路,旨在实现最小损耗且易于连接,相当于使用线缆连接示波器。图4所示为连接到被测电路的高阻抗示波器输入的电路图。被测电路可建模为具有串联电阻的电压源。1:1探针(或线缆)将引入大量电容,这些电容与示波器输入并联。1:1探针可能具有约40到60 pF的电容,通常大于示波器输入电容。

1:1探针的构造无法达到对衰减探针预期的性能水平,具体原因将在10:1探针部分介绍。

10:1探针

10:1探针(又称10x探针、分压探针或衰减探针)在探针中内置了电阻和电容(并联)。图8所示为连接到示波器高阻抗输入的10:1探针电路。如果R1C1 = R2C2,则该电路结果为两个电容的效果完全抵消。实际上,该条件可能无法完全满足,但可以近似满足。电容通常可调节,即通过微调实现近乎完美的匹配。公式5所示为在这些条件下Vs与VIN的关系。

Vs与VIN的关系

公式5:衰减探针(如10X探针)使用公式中描述的分压器原理。

该公式与电压分配公式相近。 R2是示波器高输入阻抗 (1 MW) 的输入电阻,且R1 = 9R2。 公式6所示为使用10X探针时公式5的结果。

公式6:10X探针使示波器输入端的电压为原来的1/10。

因此,探针和示波器输入组合的结果是,由于两个电容的有效抵消,其带宽远大于1:1探针。而代价就是电压损失。现在示波器所示电压仅为原始电压的十分之一(这就是10:1探针的名称由来)。另外请注意,被测电路的负载阻抗为R1 + R2 = 10 MW,这远高于使用1:1探针时。有些探针经设计可便捷地在1:1和10:1操作之间切换。

图9:适当调节C1时,可抵消无源探针中的电容性效应。

使用10:1探针时,电阻性和电容性负载效应都比使用1:1探针有所降低。 尽管理想情况下,示波器的输入电容被抵消,但由于探针本身存在剩余电容CPROBE,被测电路仍将受到负载效应的影响。该电容由制造商指定,作为被测电路的负载。

只要被测电压未低到除以10后示波器无法读取,电压损失10倍并不是问题。这意味着示波器的灵敏度和信号电压可能成为是否使用10:1探针的决定因素。在大多数示波器上,用户必须提醒自己正在使用10:1探针,并将测量结果乘以10。这很麻烦,因此有些示波器包含两个标尺标记:一个适用于1:1探针,另一个适用于10:1探针。其它示波器则更加先进,使用衰减探针时会自动根据正确的比例调整读数。

注意,有些10:1探针在探针输入端设置有电阻,因此电阻性负载为1 MΩ。此类探针在电阻性负载方面并未优于1:1探针,但其电容性负载更小。

其他衰减探针

衰减探针有多种值,如50:1和100:1探针。这些探针的一般原理与10:1分压探针相同:通过牺牲电压水平来获得更宽的带宽,探针中的损耗增加,传递到示波器输入端的电压会减少。这可能需要一台更灵敏的示波器来进行低电平测量。也有一些50 Ω阻抗无源探针具有更宽的带宽,但应用有限。

补偿

为了最大化衰减探针的带宽,探针电容必须精确调整以抵消示波器的输入电容。这一过程称为补偿。

将示波器探针与一个称为校准器的方波源相连,校准器内置在示波器中。然后调整探针,使方波尽可能接近正方形且顶部平坦。

探针补偿

图10:执行探针补偿需要参考信号。NI示波器的PFI线路可用于生成方波参考信号。

1.将探针的BNC端连接到示波器的CH0端口。如果探针有多个衰减设置,请选择支持补偿电容的设置。

2.将连接适配器连接到探针尖端,以便与校准器交互。

3.将探针尖端连接到校准器源。NI PXI示波器的校准器为PFI1。

4.如果使用的探针尖端与传输线缆是分离状态,请将其连接在一起以完成测量电路。这种类型的探针尖端通常使用BNC或SMB连接。

5a.打开示波器软前面板(开始菜单->程序->NI->NI-SCOPE->NI-SCOPE软前面板(Start Menu->Programs->National Instruments->NI-SCOPE->NI-SCOPE Soft Front Panel))。如果PXI系统中有多个示波器或数字化仪,请为探针补偿选择合适的示波器。从示波器软前面板工具栏的工具(Utility)菜单中激活探针补偿信号。也可使用NI-SCOPE仪器驱动程序以编程方式激活探针补偿信号。


NI-SCOPE软前面板内置了探针补偿工具

图11: NI-SCOPE软前面板内置了探针补偿工具。

5b.如果使用传统箱式或台式示波器,则仪器前面板现在应显示校准信号。

6.调整可调电容,使波形尽可能接近正方形。图12a和12b所示为在补偿过程中,过补偿和欠补偿探针的示波器显示情况。图12c所示为探针正确补偿时的显示情况。

图12: 过补偿(a)和欠补偿(b)的探针将无法准确表示信号,导致测量错误。正确补偿的探针(c)将反映信号的真实特性。

7.对其他通道和探针重复步骤1-6。请注意,尽管示波器通道设计上非常相似,但元件的微小变化可能导致输入电容略有不同。探针的额定电容也存在微小差异。因此,每个示波器通道和探针组合都应单独补偿。

有源探针

目前为止讨论的所有探针都是简单的无源电路,没有像晶体管和放大器这样的有源元件。对于需要高频测量的极低电容或测量需要与给定接地参考隔离的情况,有源探针是理想的选择。有源探针使用一个输入电容极小的放大器。放大器的输出通常与示波器的50欧姆输入相匹配。这支持在探针和示波器之间使用一段50欧姆线缆,而不会额外产生的电容性负载效应。

表3总结了本文所述各种类型有源电压示波器探针的典型规格。实际特性将根据制造商和型号而有所不同。

有源探针SA1000X1SA1500X1SA2500X1DA200025X1
带宽1000 MHz1500 MHz2500 MHz2 GHz
接线端配置单端单端单端差分
衰减比10:110:110:125:1
最大输入电压20 V20 V20 V± 60 V(DC + AC峰值)
共模输入电压± 8 V± 8 V± 8 V± 60 V(DC + AC峰值)
差分输入电压±​ 20 V(DC + AC峰值)
输入电阻1 MΩ1 MΩ1 MΩ500 kΩ
输入电容0.9 pF0.9 pF0.9 pF1.2 pF
示波器输入阻抗50 Ω50 Ω50 Ω50 Ω
连接器BNC至探针尖端BNC至探针尖端BNC至探针尖端BNC至探针尖端

 

1需使用随附的辅助电源。 

表3:NI提供的有源探针可扩展PXI示波器的测量能力。

NI示波器有源兼容性

由于负载效应极小,NI提供的所有有源电压探针都与所有PXI示波器兼容,但需考虑以下额外因素:

  • 使用SA1000X、SA1500X、SA2500X或DA200025X时,由于相邻BNC示波器通道距离较近,可能需使用短BNC转BNC适配器。
  • PXIe-5105和PXIe-5172需要SMB转BNC适配器。
  • PXIe-5170和PXIe-5171需要SMA转BNC适配器。

差分探针

某些示波器具有浮动或差分输入,支持输入的两个引脚都连接到远离地电位的位置。从而避免接地问题。

具有双通通道且能显示通道1-2(两个通道之间的差值)的示波器可作为单通道浮动输入示波器使用。示波器设置为显示1-2。通道1连接到电路中作为较高正电压的点。通道2连接到另一个电压点,示波器接地连接到电路接地。因此,示波器可显示两个电压点之间的差值,无需接地。

差分探针通过提供两个相对于示波器地电位浮动的示波器探针输入来解决这一问题。探针的输出电压是两个输入端电压之间的差值,用于驱动示波器的接地参考输入。差分放大并非完美无缺,其误差以共模抑制比(CMRR)来表示。如需测量CMRR,两个输入通过相同的信号驱动。理想情况下,输出(即两个输入端之间的差值)始终为零。在实际探针中,会存在一些微小的输出电压。

CMRR公式

公式7: 差分探针在活动通道和参考通道之间会有误差,可以通过观察探针输入和输出电压之间的差值来测量。

通常,差分探针的CMRR在低频时最佳,而在高频时会下降。CMRR通常以dB表示。

高压探针

高压有源探针用于包含高直流偏置或共模,或大电压范围的测量。有些高压探针用于观察具有极高共模的小信号变化。例如,测量电力传输线上信号的微小变化。高压有源探针的另一个用例是实现非常大的电压范围。有些有源探针可传输高达数千伏的信号。

电流探针

电流探针通常使用两种技术中的一种。最简单的一种基于变压器原理,将其中变压器的一个绕组作为被测导线。由于变压器仅适用于交流电压和电流,因此这种类型的电流探针无法测量直流电流。

另一种类型的电流探针(NI销售的类型)利用霍尔效应原理。霍尔效应会根据外加磁场中的电流产生电场。这种技术需要使用外部电源,但可测量交流和直流(AC和DC)电流。

由于电流探针测量的是其钳口所包围的电流,因此可以使用一些特殊技术。如果探针和示波器组合的灵敏度对于特定测量太低,可将几匝被测导线插入钳口。探针将有效地测量更大的电流(原始电流乘以匝数)。同样,如果将两根导线插入钳口中,但电流方向相反,则可以测量两个电流之间的差值(如果电流方向相同,则测量总和)。当然,导线和电流探针的物理尺寸将决定可以插入导线的数量。尽管电流测量不需要直接电气连接,但仍然会消耗被测电路的能量。通常这种少量的能量损失不会干扰电路,但在某些情况下可能会成为一个影响因素。

电流探针1CC0550XCC05120XCC3050XCC30100XCC15010XCC5002X
最大连续电流5 ARMS5 ARMS30 ARMS30 ARMS150 A500 A
输出电压率(每安培电压)1 V/A1 V/A0.1 V/A0.1 V/A0.01 V/A0.01 V/A
带宽50 MHz120 MHz50 MHz100 MHz10 MHz2 MHz
上升时间7 ns2.9 ns7 ns3.5 ns35 ns175 ns
示波器输入阻抗1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ
连接器BNC至探针尖端BNC至探针尖端BNC至探针尖端BNC至探针尖端BNC至探针尖端BNC至探针尖端

 

1需要使用双通道PS-OP01电源或四通道PS-OP02电源。

表4: NI代理销售多种Hioki电流探针,每个探针都需要一个Hioki电源才能正常工作。

连接至4通道电源的Hioki电流探针

图13. 连接至4通道电源的Hioki电流探针。

电流NI示波器兼容性

并非所有PXI示波器都能与所有探针配合使用–Hioki电流探针仅与具有1 MΩ输入的PXI示波器兼容。由于距离较近,在相邻BNC示波器通道上使用电流探针时,可能需要使用短BNC转BNC适配器。

NI示波器Hioki电流探针的所有型号
PXIe-51051
PXIe-5110
PXIe-5111
PXIe-5113
PXIe-5114
PXIe-5122
PXI-5124
PXI-5142
PXI-5152
PXI-5153
PXI-5154
PXIe-5160
PXIe-5162
PXIe-5163
PXIe-5164
PXIe-5170
PXIe-5171
PXIe-51721
PXI-5922

 

1需要SMB转BNC适配器。

表5: 兼容电流探针的PXI示波器。

Hioki电流探针在与相邻的示波器通道一起使用时可能需要短BNC适配器

图14: Hioki电流探针在与相邻的示波器通道一起使用时可能需要短BNC适配器。

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