如何針對自身應用選擇合適示波器

綜覽

示波器探針是類比量測系統的基礎。如果沒有合適的探針,再好的示波器也毫無用處。因此,必須選擇合適的探針,以將受測電路連接至示波器。在選擇探針之前,請務必先了解探針的運作方式與說明指示。所有使用者在開始使用示波器前,都應先熟悉衰減比、頻寬、阻抗與電容等規格。

內容

什麼示波器針?

示波器探針用於實際接觸測試點,將電子訊號資料從受測電路傳輸至示波器。示波器探針有多種類型,包含被動式探針、主動式探針、差動探針與電流探針等等,可滿足不同的測試與量測需求。最基本的示波器探針包含一個導電探針尖端、一個可手調探針頭,以及一條連接示波器的連接線。

主動式與被動式探針

圖 1:主動式與被動式探針適用於不同的用途,也符合不同的量測條件。閱讀更多資訊。

被動式探針

被動式探針的用途最為廣泛,且僅包含被動式電路元件。這些探針可從受測點直接連接到示波器輸入端,提供 1:1 的直接連線功能,或使用分壓器或其他電路實現特定值的衰減。被動式探針通常價格低廉、堅固耐用且具彈性,適合用於電壓量測,且頻寬相對較低。繼續閱讀,以深入了解表 1 中的各項規格。

被動式探針SP500XSP500CCP500XCP400X
頻寬500 MHz500 MHz500 MHz400 MHz
衰減比10:1100:110:110:1
輸入電阻10 MΩ100 MΩ10 MΩ10 MΩ
輸入電容11 pF4.6 pF10 pF13 pF
電容補償範圍10-25 pF10-25 pF7-25 pF10-40 pF
上升時間0.9 ns0.9 ns0.7 ns0.9 ns
最大輸入電壓300 V
(DC + 峰值 AC)
300 V
(DC + 峰值 AC)
60 V
(DC + 峰值 AC)
60 V
(DC + 峰值 AC)
示波器輸入阻抗1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ
接頭BNC 對探針尖端BNC 對探針尖端BNC 對 BNCBNC 對 BNC
連接線長度1.2 公尺1.2 公尺1.2 公尺2 公尺

 

表 1: NI 提供精選被動式探針,以最佳化 NI 示波器的效能。

被動式與 NI 示波器相容性

並非所有 PXI 示波器均可搭配所有探針來使用,被動式探針的 1 MΩ 輸入電容範圍可能無法與特定示波器的 1 MΩ 輸入電容匹配。NI 所有的示波器探針均具備 BNC 連接功能,因此,若 PXI 示波器配備的是 SMA 或 SMB 人機介面接頭,則需要使用轉接器,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 對 BNC 轉接器。

表 2: PXI 示波器可相容於被動式探針。

負載效應

示波器探針可透過多種方式來影響訊號。探針的輸入電阻、電容與頻寬,均可決定探針對傳輸至示波器的訊號所造成的影響。本部分將討論造成這些變化的物理現象。如需這些效應的實際用途,請參閱負載效應範例部分。

電路阻抗與示波器的輸入阻抗共同形成一個低通濾波器。針對極低的頻率,電容器可做為開放電路,幾乎不影響量測。針對高頻而言,電容器的阻抗變得非常重要,且會降低示波器測得的電壓。圖 2 顯示頻域中的此效應。若輸入為正弦波,則振幅會隨頻率增加而降低,相位也會偏移。

被動式探針的頻率響應

圖 2: 被動式探針的頻率響應會隨量測訊號的頻率增加而降低。

負載也會影響示波器對電壓步進變化的響應。示波器輸入阻抗 (與探針電容) 所造成的負載可分為兩部份:電阻負載與電容負載。圖 3 顯示探針與示波器的輸入負載可分為電阻與電容負載,且可分別進行分析。電阻負載完全是由示波器的輸入電阻引起的,而電容負載則是由探針電容與示波器輸入電容共同引起的。

電路負載可分為 (a) 電阻負載與 (b) 電容負載

圖 3:電路負載可分為 (a) 電阻負載與 (b) 電容負載。

圖 3 的電阻負載電路是分壓器電路的另一個範例。因此,傳送至示波器輸入的電壓 (VIN) 極似 VS,但振幅有所降低。等式 1 顯示此電壓隨著時間變化到給定 VMAX 的公式。

有電阻負載的分壓器電路的行為如以下公式所示

等式 1: 此等式說明有電阻負載的分壓器電路的行為。

電容負載的影響較為複雜,且會對電壓造成指數響應。 VIN是 VS 電壓步進的結果,會隨著時間從零伏特變成 VMAX 伏特,如等式 2 所示。

電容負載效應會隨著時間形成對數響應

等式 2: 電容負載效應會隨著時間形成對數響應。

圖 4 顯示兩種負載效應所造成的步進響應。電阻負載會改變電壓步進的大小,但不會改變波形形狀。電容負載會延長步進的上升時間,但最終會穩定為與理想響應相同的最終值。系統的頻寬與上升時間呈反比關係。由於儀器頻寬已有效減少,因此脈波輸入的上升與下降時間會增加。

此分析所用電路模型不一定對所有類型的實際電路都準確。數位電路的輸出電阻 (驅動功能) 可能會隨著輸出電壓而變化,並造成不同的負載效應。即使此模型無法對電路達到 100% 準確度,電阻與電容負載的基本原理仍適用。意即負載電容會延長訊號的上升時間,電阻負載則偏向會改變輸出振幅。當訊號到達下一個邏輯閘時,如數位電路的上升時間增加,則延遲時間亦會增加。這是因為訊號上升至邏輯臨界值所需的時間較長,造成下一個邏輯閘較晚切換。一般示波器的 1 MW 輸入阻抗足以避免多數數位電路的電阻負載,但 1:1 探針的電容負載則會在訊號中產生較大延遲。

圖 4:電阻負載 (a) 會改變步進的電壓等級,而電容負載 (b) 會造成指數響應。

負載效應範例

此部分將以兩個範例說明探測電路所造成的負載效應。在每個範例中,探測電路所產生的效應將使裝置從根本上改變行為,或完全停止運作。

電容負載

LC 電路也稱為儲能電路,同時包含一個電感器與一個電容器,兩者並聯。此電路的最終效應是,電感線圈會發出一個給定數值的共振頻率,此數值則是由電感器與電容器來決定。頻率由等式 3 決定。

LC 電路的共振頻率公式

等式 3:此等式決定 LC 電路的共振頻率。

此電路用於商用 RFID 標籤,因此可做為此負載效應的示範範例。圖 5 顯示 RFID 晶片中常見的 LC 電路。

常見的 RFID LC 電路

圖 5:LC 電路用於 RFID 標籤。此為常見的 RFID LC 電路。

設計或測試此電路的工程師可能會想要探測包含電容器的通道。如果工程師在此電路的高電位點加上 SP500X 探針,則會新增探針電容並與高電位與接地之間的 C1 並聯,如圖 6 所示。

圖 6:若探針未以阻止電流流動的方式進行探測,則會在電路中新增探針的輸入電容。

探針的額外電容將根據等式 4,來改變 LC 電路的共振頻率。

等式 4:SP500X 探針所產生的額外電容,會將 LC 電路的共振頻率改變為原始頻率的 0.93 倍。

由於頻率已改變,RFID 標籤所發射的頻率將與預期的傳輸器頻率大不相同,因此無法累積足夠的能量,也就無法讓感測器偵測到或進行功能特性分析以確保運作正確。

電阻負載

圖 7 中的震盪器電路同時包含 1 組 10 MΩ 電阻器和 1 組 CMOS 逆變器,兩者並聯。探針具有 10 MΩ 的輸入電阻,可避免大量電流通過探針,並避免影響受測電路。在此情況下,受測電路包含一組高電阻元件。

     

圖 7:可簡化監視震盪器電路的功能,以顯示電阻負載如何影響其運作。

工程師可能會對 CTRA In 接合點的電位、10 MΩ 電阻器,和石英震盪器的電源供應器感興趣,如圖 8 所示。此探針點會將探針的 10 MΩ 輸入電阻與 10 MΩ 電阻器並聯,以建立分壓器。此電路中的石英震盪器會以特定電壓運作。如果震盪器接收到預期電壓的一半,則可能偶爾運作或完全停止運作。

圖 8:如探測時並聯石英震盪器電路中的 10 MΩ 電阻器,將建立可能會導致停止運作的分壓器。

1:1 探針

1:1 (一對一) 探針也稱為 1x 探針,可將示波器的 1 MΩ 阻抗輸入連接至受測電路。其設計方式可將損耗降至最低,且可輕鬆連線,除此之外,均等同於使用連接線來連接示波器。圖 4 顯示高阻抗示波器輸入端連接至受測電路的電路圖。受測電路模型為具有一個串聯電阻器的電壓源。1:1 探針 (或連接線) 將產生大量電容,且與示波器輸入並聯。一個 1:1 探針的電容約為 40 至 60 pF,通常大於示波器的輸入電容。

1:1 探針的架構無法達到衰減探針的相同效能,10:1 探針部分將會說明。

10:1 探針

10:1 探針 (也稱為 10x 探針、分配器探針,或衰減探針) 內建電阻器與電容器 (並聯)。圖 8 顯示 10:1 探針連接至示波器高阻抗輸入端的電路。若 R1C1 = R2C2,則此電路將取得神奇結果,即 2 組電容器的效應完全抵消。在實際中,此條件可能無法完全滿足,但可大致估計。電容器通常可調整,且可微調以達到近乎完美的匹配。等式 5 顯示在這些條件下,Vs 與 VIN 的關係。

Vs 與 VIN 的關係

等式 5:衰減探針 (如 10X 探針) 會使用此等式中所述的分壓器原理。

此等式讓人聯想到分壓器等式。 R2 為示波器高輸入阻抗 (1 MW) 的輸入電阻,且 R1 = 9R2。 等式 6 顯示使用 10X 探針時等式 5 的結果。

等式 6:10X 探針會在示波器輸入端產生 1/10 的電壓。

由於可有效抵消 2 組電容器的效應,因此探針與示波器輸入組合的頻寬將遠高於 1:1 探針的頻寬。隨之而來的損失即是電壓損失。示波器現在只能量測原始電壓的十分之一 (因此得名為 10:1 探針)。另請注意,受測電路的負載阻抗為 R1 + R2 = 10 MW,遠高於 1:1 探針的情況。某些探針可在 1:1 與 10:1 運作之間輕鬆切換。

圖 9:只要 C1 適當調整,可消除被動式探針中電容器的效應。

透過 10:1 的探針,可同時降低電阻與電容負載的效應 (相對於 1:1 探針)。 雖然在理想情況下,示波器的輸入電容會被抵消,但由於探針 CPROBE 的關係,仍會有一個剩餘電容。此電容由製造商指定,將對受測電路施加負載。

只要所量測的電壓不會因為太小而造成分壓成十分之一後示波器無法讀取,則電壓損失係數 10 就不是問題。也就是說,示波器的靈敏度與訊號電壓可能是決定是否要使用 10:1 探針的要素。在多數的示波器中,使用者必須記得使用的是 10:1 探針,因此必須將量測結果乘以係數 10。有鑑於此,可能會出現這樣的問題,有些示波器會包含 2 組刻度標記,1 組適用於 1:1 探針,另 1 組適用於 10:1 探針。其他示波器則已更進一步,會在使用衰減探針時,根據正確數值來自動調整讀數。

請注意,某些 10:1 探針在探針輸入之間會有電阻器,因此電阻負載為 1 MΩ。相較於 1:1 探針,這些探針的電阻負載並未改善,但電容負載較少。

其他衰減探針

衰減探針的衰減比有很多,例如 50:1和 100:1 探針。這些探針的一般原理與 10:1 分壓器探針相同:為取得更高的頻寬,必須權衡電壓等級與頻寬,探針也會造成更多損耗,且供應至示波器輸入端的電壓也會減少。因此可能需要更敏感的示波器,才能進行初階量測作業。另外,也有某些 50Ω 阻抗的被動式探針,雖然頻寬較寬,但應用範圍有限。

補償

若要使衰減探針的頻寬最高,則必須精確調整探針電容器,以抵消示波器的輸入電容。這是透過「補償」過程達到的。

示波器探針會連接至內建於示波器的方波源,其稱為校準器。接著調整探針,讓方波儘可能達到方形且平頂。

探針補償

圖 10:需要使用參考訊號才能執行探針補償。NI 示波器的 PFI 通道可用來產生參考方波。

1.將探針的 BNC 端連接至示波器的 CH0。如果探針有多種衰減設定,則應選擇可補償電容的設定。

2.將連接轉接器接至探針尖端,以便連接校準器。

3.將探針尖端連接至校準器源端。針對 NI PXI 示波器,校準器為 PFI1。

4.如使用的探針尖端與傳輸連接線分開,則此時要將兩者連接在一起,以形成完整的量測電路。以此方式運作的探針尖端通常會連接 BNC 或 SMB 連接端。

5a.開啟示波器軟體人機介面 (開啟選單->方案->National Instruments->NI-SCOPE->NI-SCOPE 軟體人機介面)。若 PXI 系統具備多組示波器,則應選擇合適的示波器,以進行探針補償。從示波器軟體人機介面工具列的公用程式選單,來啟動探針補償訊號。亦可透過 NI-SCOPE 儀器驅動程式,以程式設計的方式來啟動探針補償訊號。


NI-SCOPE 軟體人機介面內建探針補償公用程式

圖 11: NI-SCOPE 軟體人機介面內建探針補償公用程式。

5b.如使用傳統的箱型或桌上型示波器,則儀器的人機介面現在應該會顯示校準訊號。

6.調整可調整電容器,讓波形儘可能為方波。圖 12a 與 12b 顯示,示波器在補償期間探針過度補償與補償不足的畫面。圖 12c 顯示探針適當補償時的畫面。

圖 12: 過度補償 (a) 與補償不足 (b) 的探針將無法良好呈現訊號,並會造成錯誤的量測結果。適當補償的探針 (c) 將呈現訊號的真實本質。

7.針對其他通道與探針重複步驟 1 至 6。請記住,示波器通道的設計非常相似,但元件的微小變化可能會使輸入電容略有不同。探針的額定電容亦有細微差異。因此每個示波器通道與探針組合均應個別進行補償。

主動探針

到目前為止,所討論的所有探針均為簡單的被動式電路,不含電晶體與放大器等主動式元件。主動式探針適用於高頻率量測需要極低電容的情況,或量測需要隔離特定接地參考的情況。主動式探針使用的放大器經過特殊設計,因此其輸入端的電容極低。放大器的輸出通常會經過匹配,以驅動示波器的 50 Ω 輸入。如此即可在探針與示波器之間使用 50 Ω 的連接線,而不會產生任何額外的電容負載效應。

表 3 總結了已討論的各種主動式電壓示波器探針的一般規格。實際特性將依製造商與型號而有所不同。

主動式探針SA1000X1SA1500X1SA2500X1DA200025X1
頻寬1000 MHz1500 MHz2500 MHz2 GHz
端點設定單端點單端點單端點差動
衰減比10:110:110:125:1
最大輸入電壓20 V20 V20 V± 60 V (DC + 峰值 AC)
共模輸入電壓± 8 V± 8 V± 8 V± 60 V (DC + 峰值 AC)
差動輸入電壓±​ 20 V (DC + 峰值 AC)
輸入電阻1 MΩ1 MΩ1 MΩ500 kΩ
輸入電容0.9 pF0.9 pF0.9 pF1.2 pF
示波器輸入阻抗50 Ω50 Ω50 Ω50 Ω
接頭BNC 對探針尖端BNC 對探針尖端BNC 對探針尖端BNC 對探針尖端

 

1 需要使用隨附的輔助電源供應器。 

表 3:NI 提供主動式探針,可擴充 PXI 示波器的量測功能。

主動與 NI 示波器相容性

透過如此低的負載效應,NI 所提供的所有主動式電壓探針均可相容於所有的 PXI 示波器,此外,還有下列考量要點:

  • 如要在鄰近的 BNC 示波器通道上使用 SA1000X、SA1500X、SA2500X 或 DA200025X,因為距離很近,可能需要使用較短的 BNC 對 BNC 轉接器。
  • PXIe-5105 與 PXIe-5172 需要使用 SMB 對 BNC 轉接器。
  • PXIe-5170 與 PXIe-5171 需要使用 SMA 對 BNC 轉接器。

差動探針

某些示波器具有浮動或差動輸入,以讓輸入的 2 組導線連接時遠離接地。這樣一來就可以避免接地問題。

如雙通道示波器可顯示通道 1-2 (兩個通道之間的差異),可用來做為單通道浮動輸入示波器。將示波器設定為顯示 1-2。將通道 1 連接至電路中的正電壓點。將通道 2 連接至另一個電壓點,且將示波器接地則連接至電路接地。如此一來,示波器將可顯示 2 個電壓點之間的差異,且 2 個電壓點均不需接地。

差動探針提供 2 組示波器探針輸入,可對示波器的接地浮動,以解決此問題。探針的輸出電壓為 2 個輸入端點的電壓差,以便驅動示波器的接地參考輸入。差動放大功能並非完美無缺,且以共模拒斥比 (CMRR) 的形式來表示錯誤。若要量測 CMRR,則必須以相同訊號來驅動此 2 組輸入。理想狀態下,輸出 (即 2 組輸入之間的差異) 應始終為 0。但實際的探針會產生一些小的輸出電壓。

CMRR 公式

等式 7。 差動探針會在主動通道與參考通道之間產生誤差,只要觀察探針輸入與輸出電壓的差異即可量測出來。

一般來說,差動探針的 CMRR 會在低頻率時達到最佳狀態,在高頻率時則會降低。CMRR 通常以 dB 為單位。

電壓探針

高電壓主動式探針適用於高 DC 偏移、共模或大電壓範圍的量測作業。某些高電壓探針可用來觀察訊號中的微小變化,且這些訊號具有極高的共模。比方,量測電力傳輸通道上訊號的微小變化。高電壓主動式探針的另 1 個優點是,可達到極大的電壓範圍。某些主動式探針可傳輸高達數千伏特的訊號。

電流探針

電流探針通常使用 2 種技術之一。最簡單的方法是使用變壓器的原理,使變壓器的 1 個繞線成為量測連接線。由於變壓器僅可搭配 AC 電壓與電流,因此此類型的電流探針無法量測直流電。

另一種電流探針 (NI 所銷售的類型) 則使用霍爾效應原理。霍爾效應會根據磁場中的電流產生電場。這項技術需要使用外接電源供應器,但必須同時量測交流電與直流電 (AC 與 DC)。

由於電流探針可量測鉗口所包圍的電流,因此可使用電流探針特有的多項技術。如果探針與示波器組合的靈敏度太低而無法進行特定量測作業,則可於鉗口中插入數圈電流傳輸線。探針將可有效量測較大的電流 (原始電流乘以圈數)。同樣,插入 2 組接線,但電流方向相反,則可量測 2 組電流之間的差異 (若電流方向相同,則量測總和)。當然,連接線與電流探針的實際尺寸也會影響可插入的接線數量。雖然電流不需直接進行電子連接,但仍可移除受測電路的能量。一般來說,這種少量的能源損耗不會干擾電路,但在某些情況下可能會造成影響。

電流探針1CC0550XCC05120XCC3050XCC30100XCC15010XCC5002X
最大連續電流5 ARMS5 ARMS30 ARMS30 ARMS150 A500 A
輸出電壓速率 (伏特每安培)1 V/A1 V/A0.1 V/A0.1 V/A0.01 V/A0.01 V/A
頻寬50 MHz120 MHz50 MHz100 MHz10 MHz2 MHz
上升時間7 ns2.9 ns7 ns3.5 ns35 ns175 ns
示波器輸入阻抗1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ1 MΩ
接頭BNC 對探針尖端BNC 對探針尖端BNC 對探針尖端BNC 對探針尖端BNC 對探針尖端BNC 對探針尖端

 

1 需要使用 2 通道 PS-OP01 電源供應器,或 4 通道 PS-OP02 電源供應器。

表 4: NI 轉售多款 Hioki 電流探針,且每款探針均需搭配 Hioki 電源供應器,方能運作。

 連接至 4 通道電源供應器的 Hioki 電流探針

圖 13. Hioki 電流探針已連接至 4 通道電源供應器。

電流與 NI 示波器相容性

並非所有 PXI 示波器均可搭配所有探針使用 - Hioki 電流探針僅相容於具有 1 MΩ 輸入的 PXI 示波器。在鄰近的 BNC 示波器通道上使用電流探針時,由於距離較近,可能需要使用較短的 BNC 對 BNC 轉接器。

NI 示波器Hioki 電流探針的所有型號
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 對 BNC 轉接器。

表 5: PXI 示波器可相容於電流探針。


圖 14: 當使用鄰近的示波器通道時,Hioki 電流探針可能需要較短的 BNC 轉接器。

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