在硬件研發和測試過程中,示波器是咱們離不開的有力工具,但很多人卻忽略了它的好搭檔——示波器探頭。探頭要是沒選對,測出來的信號可能失真、變形,甚至誤導調試方向!更夸張的是,有些高端探頭能賣到幾百甚至上千塊,為啥這么貴?因為它直接決定了你的測量精度!(參考是德科技官網)
今天咱們就來扒一扒選示波器探頭時最容易踩的6個坑,看看你中招了沒?
01 不了解關鍵技術指標
選探頭不能只看帶寬!帶寬越高,雖然能捕捉更多信號細節,但也會引入更多噪聲,還可能增加成本和開發難度。
其他關鍵指標包括:
- 動態范圍:探頭能測量的信號幅度范圍。
- 末端電容:電容越小,高頻性能越好。
- 輸入阻抗:影響信號負載效應(阻抗越高越好)。
- 噪聲和成本:帶寬越高,噪聲可能越大,價格也越貴。
所以,別盲目追求高帶寬,可以多研究一下相關的技術文檔資料。
02 帶寬選不對,信號可能細節丟失
帶寬太低,信號細節容易丟失,帶寬太高,會引入多余噪聲,浪費錢。探頭帶寬本質上就是 -3dB 點。
使用1:1探頭測量1 Vpp正弦波時,低頻輸出等于實際信號。但隨著頻率增加,當示波器顯示幅值降至0.7 Vpp(即輸入信號的3dB點)時,表明探頭輸出相對標稱值衰減了3 dB。
信號帶寬BW的計算方法可參考如下:
如果我們測量的是 10% 和 90% 的閾值,則信號帶寬:
BW=上升時間/0.35;
如果我們測量的是 20% 和80% 的閾值,則信號帶寬:
BW=上升時間/0.22。
然后我們可以計算探頭帶寬:
探頭帶寬應該比模擬信號中最快的正弦波頻率高 3 倍,比數字號的最高數字時鐘速率快 5 倍。關注公眾號:硬件筆記本
03 忽略探頭的負載效應
探頭接入電路后,就會成為電路的一部分,形成負載,也一樣影響信號,這無法避免,只能盡量減少負載效應。關注公眾號:硬件筆記本
如下圖為,無源探頭基本模型,電阻R是負載,電容C是電容元件和寄生電容共同形成的結果。
如下圖,可以看出容的阻抗與頻率成反比,隨著頻率變高,電容開始變得比電阻更容易接地。
有源探頭的負載效應遠遠小于無源探頭,因為無源探頭僅由電阻和電容元件制成。且無源探頭的負載效應大(比如10MΩ電阻但電容大,高頻時阻抗暴跌),而有源探頭的負載效應小(1MΩ電阻但電容小,高頻性能更好)。
建議高頻信號選有源探頭,低頻信號用無源探頭。
04 有源or無源?傻傻分不清
總的來說,無源探頭便宜、耐用,適合低頻小信號(如1:1衰減比測小電壓),有源探頭:貴、精度高,適合高頻或高精度需求(如測高速數字信號)。
對比電容,如下圖,咱們在選擇示波器探頭的時候大多都會重點關注電阻,認為10MΩ電阻的無源探頭比1MΩ 電阻有源探頭好,但在10kHz以后,隨著頻率升高,它們的阻抗看起來差別很大。
所以高頻時,電容負載效應比電阻更重要!有源探頭電容小,優勢更明顯。
05 連接方式不對,帶寬直接腰斬!
連接越短,帶寬越高,比如2GHz探頭用長引線,實際帶寬可能只剩500MHz。
附件越多,負載效應越大,盡量用最短的連接方式。
示例:N2796A2 Ghz 有源探頭
06 衰減比選錯,信號直接"削頂"
示波器探頭的衰減比是可以調節的。它的原理是衰減比是分壓電路,比如10:1探頭通過9MΩ+1MΩ電阻分壓,進入示波器的信號縮小10倍。
1:1探頭:適合小信號(噪聲小,但負載大)。
10:1探頭:適合大電壓(保護示波器,但噪聲稍大)。
錯誤示范為用1:1探頭測高壓,信號會被削波!