電流探頭的分類以及應(yīng)用
示波器因?yàn)橛刑筋^的存在而擴(kuò)展了示波器的應(yīng)用范圍,使得示波器可以在線測(cè)試和分析被測(cè)電子電路,如下圖:
探頭的選擇和使用需要考慮如下兩個(gè)方面:
其一:因?yàn)樘筋^有負(fù)載效應(yīng),探頭會(huì)直接影響被測(cè)信號(hào)和被測(cè)電路;其二:探頭是整個(gè)示波器測(cè)量系統(tǒng)的一部分,會(huì)直接影響儀器的信號(hào)保真度和測(cè)試結(jié)果
一、探頭的負(fù)載效應(yīng)
當(dāng)探頭探測(cè)到被測(cè)電路后,探頭成為了被測(cè)電路的一部分。探頭的負(fù)載效應(yīng)包括下面3部分:
1.阻性負(fù)載效應(yīng);
2.容性負(fù)載效應(yīng);
3.感性負(fù)載效應(yīng)。
阻性負(fù)載相當(dāng)于在被測(cè)電路上并聯(lián)了一個(gè)電阻,對(duì)被測(cè)信號(hào)有分壓的作用,影響被測(cè)信號(hào)的幅度和直流偏置。有時(shí),加上探頭時(shí),有故障的電路可能變得正常了。一般推薦探頭的電阻R>10倍被測(cè)源電阻,以維持小于10%的幅度誤差。
容性負(fù)載相當(dāng)于在被測(cè)電路上并聯(lián)了一個(gè)電容,對(duì)被測(cè)信號(hào)有濾波的作用,影響被測(cè)信號(hào)的上升下降時(shí)間,影響傳輸延遲,影響傳輸互連通道的帶寬。有時(shí),加上探頭時(shí),有故障的電路變得正常了,這個(gè)電容效應(yīng)起到了關(guān)鍵的作用。一般推薦使用電容負(fù)載盡量小的探頭,以減小對(duì)被測(cè)信號(hào)邊沿的影響。
感性負(fù)載來源于探頭地線的電感效應(yīng),這地線電感會(huì)與容性負(fù)載和阻性負(fù)載形成諧振,從而使顯示的信號(hào)上出現(xiàn)振鈴。如果顯示的信號(hào)上出現(xiàn)明顯的振鈴,需要檢查確認(rèn)是被測(cè)信號(hào)的真實(shí)特征還是由于接地線引起的振鈴,檢查確認(rèn)的方法是使用盡量短的接地線。一般推薦使用盡量短的地線,一般地線電感=1nH/mm。
二、探頭的類型
示波器探頭大的方面可以分為:無源探頭和有源探頭兩大類。無源有源顧名思義就是需不需要給探頭供電。
無源探頭細(xì)分如下:1.低阻電阻分壓探頭;
2.帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭(最常用的無源探頭);
3.高壓探頭
有源探頭細(xì)分如下:
1.單端有源探頭;
2.差分探頭;
3.電流探頭
最常用的高阻無源探頭和有源探頭簡單對(duì)比如下:
低阻電阻分壓探頭具備較低的電容負(fù)載(<1pf),較高的帶寬(>1.5GHz),較低的價(jià)格,但是電阻負(fù)載非常大,一般只有500ohm或1Kohm,所以只適合測(cè)試低源阻抗的電路,或只關(guān)注時(shí)間參數(shù)測(cè)試的電路。
帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭是最常用的無源探頭,一般示波器標(biāo)配的探頭都是此類探頭。帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭具備較高的輸入電阻(一般1Mohm以上),可調(diào)的補(bǔ)償電容,以匹配示波器的輸入,具備較高的動(dòng)態(tài)范圍,可以測(cè)試較大幅度的信號(hào)(幾十幅以上),價(jià)格也較低。但是不知之處是輸入電容過大(一般10pf以上),帶寬較低(一般500MHz以內(nèi))。
帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭有一個(gè)補(bǔ)償電容,當(dāng)接上示波器時(shí),一般需要調(diào)整電容值(需要使用探頭自帶的小螺絲刀來調(diào)整,調(diào)整時(shí)把探頭連接到示波器補(bǔ)償輸出測(cè)試位置),以與示波器輸入電容匹配,以消除低頻或高頻增益。下圖的左邊是存在高頻或低頻增益,調(diào)整后的補(bǔ)償信號(hào)顯示波形如下圖的右邊所示。
高壓探頭是帶補(bǔ)償?shù)臒o源探頭的基礎(chǔ)上,增大輸入電阻,使得衰減加大(如:100:1或1000:1等)。因?yàn)樾枰褂媚透邏旱脑骷愿邏禾筋^一般物理尺寸較大。
三、有源探頭
我們先來觀察一下用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測(cè)試1ns上升時(shí)間階躍信號(hào)的影響。使用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)1ns的階躍信號(hào),通過測(cè)試夾具后,使用SMA電纜直接連接到一個(gè)1.5GHz帶寬的示波器上,這樣示波器上會(huì)顯示一個(gè)波形(如下圖中的蘭色信號(hào)),把這個(gè)波形存為參考波形。然后使用探頭點(diǎn)測(cè)測(cè)試夾具去探測(cè)被測(cè)信號(hào),通過SMA直連的波形因?yàn)槭芴筋^負(fù)載的影響而變成黃色的波形,探頭通道顯示的是綠色的波形。然后分別測(cè)試上升時(shí)間,可以看出無源探頭和有源探頭對(duì)高速信號(hào)的影響。
具體測(cè)試結(jié)果如下:
使用1165A600MHz無源探頭,使用鱷魚嘴接地線:受探頭負(fù)載的影響,上升時(shí)間變?yōu)椋?.9ns;探頭通道顯示的波形存在振鈴,上升時(shí)間為:1.85ns;
使用1156A1.5GHz有源探頭,使用5cm接地線:受探頭負(fù)載的影響較小,上升時(shí)間仍為:1ns;探頭通道顯示的波形與原始信號(hào)一致,上升時(shí)間仍為:1ns。
單端有源探頭結(jié)構(gòu)圖如下,使用放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高(一般達(dá)100Kohm以上),而輸入電容較?。ㄒ话阈∮?pf),通過探頭放大器后連接到示波器,示波器必須使用50ohm輸入阻抗。有源探頭帶寬寬(現(xiàn)在可達(dá)30GHz),而負(fù)載小,但是價(jià)格相對(duì)較高(一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價(jià)格的10%左右),動(dòng)態(tài)范圍較小(這個(gè)需要注意,因?yàn)槌^探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào),不能正確測(cè)試。一般動(dòng)態(tài)范圍5V左右),比較脆弱,使用需小心。
差分探頭結(jié)構(gòu)圖如下,使用差分放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高(一般達(dá)50Kohm以上),而輸入電容較?。ㄒ话阈∮?pf),通過差分探頭放大器后連接到示波器,示波器必須使用50ohm輸入阻抗。差分探頭帶寬非常寬(現(xiàn)在可達(dá)30GHz),負(fù)載非常小,具有較高共模抑制比,但是價(jià)格相對(duì)較高(一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價(jià)格的10%左右),動(dòng)態(tài)范圍也較?。ㄟ@個(gè)需要注意,因?yàn)槌^探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào),不能正確測(cè)試。一般動(dòng)態(tài)范圍3V左右),比較脆弱,使用需小心。
差分探頭適合測(cè)試高速差分信號(hào)(測(cè)試時(shí)不用接地),適合放大器測(cè)試,電源測(cè)試,適合虛地測(cè)試等應(yīng)用。
電流探頭也是有源探頭,利用霍爾傳感器和感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)直流和交流電流的測(cè)量。電流探頭把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),示波器采集電壓信號(hào),再顯示成電流信號(hào)。電流探頭可以測(cè)試幾十毫安到幾百安培的電流,使用時(shí)需要引出電流線(電流探頭是把導(dǎo)線夾在中間進(jìn)行測(cè)試的,不會(huì)影響被測(cè)電路)。
電流探頭在測(cè)試直流和低頻交流時(shí)的工作原理:
當(dāng)電流鉗閉合,把一通有電流的導(dǎo)體圍在中心時(shí),響應(yīng)地會(huì)出現(xiàn)一個(gè)磁場(chǎng)。這些磁場(chǎng)使霍爾傳感器內(nèi)的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn),在霍爾傳感器的輸出產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。電流探頭根據(jù)這個(gè)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生一個(gè)反向(補(bǔ)償)電流送至電流探頭的線圈,使電流鉗中的磁場(chǎng)為零,以防止飽和。電流探頭根據(jù)反向電流測(cè)得實(shí)際的電流值。用這個(gè)方法,能夠非常線性的測(cè)量大電流,包括交直流混合的電流。
電流探頭在測(cè)試高頻時(shí)的工作原理:
隨著被測(cè)電流頻率的增加,霍爾效應(yīng)逐漸減弱,當(dāng)測(cè)量一個(gè)不含直流成分的高頻交流電流時(shí),大部分是通過磁場(chǎng)的強(qiáng)弱直接感應(yīng)到電流探頭的線圈。此時(shí),探頭就像一個(gè)電流變壓器,電流探頭直接測(cè)量的是感應(yīng)電流,而不是補(bǔ)償電流,功放的輸出為線圈提供一個(gè)低阻抗的接地回路。
電流探頭在交叉區(qū)域時(shí)的工作原理:
當(dāng)電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區(qū)域時(shí),部分測(cè)量是通過霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的,另一部分是通過線圈實(shí)現(xiàn)的。
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