探頭選型第一步-了解信號(hào)源

在選擇探頭時(shí)要考慮四個(gè)基本信號(hào)源問(wèn)題，即信號(hào)類型、信號(hào)頻率成分、信號(hào)源阻抗和測(cè)試點(diǎn)的物理屬性。

信號(hào)類型

探頭選擇的第一步是評(píng)估要探測(cè)的信號(hào)類型。為此，可以把信號(hào)劃分為：電壓信號(hào)，電流信號(hào)，邏輯信號(hào)，其它信號(hào)。

圖1.根據(jù)被測(cè)信號(hào)類型劃分的探頭種類

電壓信號(hào)是電子器件測(cè)量中最經(jīng)常遇到的信號(hào)類型，也正因如此，電壓傳感探頭是最常用的示波器探頭類型。此外，應(yīng)該指出，由于示波器在輸入上要求電壓信號(hào)，因此其它類型的示波器探頭在本質(zhì)上是把傳感到的現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓信號(hào)的傳感器。一個(gè)常見(jiàn)實(shí)例是電流探頭，它把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，以便在示波器查看信號(hào)。

邏輯信號(hào)實(shí)際上是特殊類型的電壓信號(hào)?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)電壓探頭查看邏輯信號(hào)，但更常見(jiàn)的情況是必須查看特定的邏輯事件。通過(guò)把邏輯探頭設(shè)置成在發(fā)生規(guī)定的邏輯組合后觸發(fā)到示波器的信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)這種功能。

這允許在示波器顯示屏上查看特定的邏輯事件。

圖2.示波器顯示屏查看邏輯事件

除電壓信號(hào)、電流信號(hào)和邏輯信號(hào)外，可能還有用戶關(guān)心的許多其它信號(hào)類型，如光源、機(jī)械源、熱源、聲源和其它來(lái)源發(fā)出的信號(hào)。可以使用各種變頻器把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，以在示波器上進(jìn)行顯示和測(cè)量。在完成這種轉(zhuǎn)換時(shí)，變頻器成為信號(hào)源，以選擇探頭，把變頻器信號(hào)傳送到示波器上。

圖1根據(jù)要測(cè)量的信號(hào)類型以圖形方式對(duì)探頭進(jìn)行了分類。注意，在每一類下面，都有各種探頭子類，額外的信號(hào)屬性及示波器要求進(jìn)一步?jīng)Q定了這些探頭子類。

信號(hào)頻率成分

不管是什么類型，所有信號(hào)都有頻率成分。DC信號(hào)的頻率為0 Hz，純正弦曲線擁有單一的頻率，這一頻率是正弦曲線周期的倒數(shù)。所有其它信號(hào)都包含多個(gè)頻率，頻率值取決于信號(hào)波形。例如，對(duì)稱方波的基礎(chǔ)頻率(fo)是方波周期的倒數(shù)，另外還有其它諧波頻率，這些諧波頻率是基礎(chǔ)頻率的奇數(shù)倍(3fo,5fo,7fo,.…)?；A(chǔ)頻率是波形的基礎(chǔ)，諧波頻率與基礎(chǔ)頻率相結(jié)合，增加了結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如波形轉(zhuǎn)換和拐角。

圖3.諧波頻率

為使探頭把信號(hào)傳送到示波器、同時(shí)保持足夠的信號(hào)保真度，探頭必須擁有足夠的帶寬，以最小的干擾傳送信號(hào)的主要頻率成分。在方波和其它周期信號(hào)中，這一般意味著探頭帶寬必需比信號(hào)的基礎(chǔ)頻率高3-5倍。這可以傳送基礎(chǔ)頻率和前幾個(gè)諧波，而不會(huì)不適當(dāng)?shù)厮p其相對(duì)幅度。另外還將傳送較高的諧波，但衰減數(shù)量會(huì)提高，因?yàn)檫@些更高的諧波超過(guò)了探頭的3-dB 帶寬點(diǎn)。但是，由于至少在一定程度上仍存在更高的諧波，因此它們?nèi)栽谝欢ǔ潭壬蠒?huì)影響波形的結(jié)構(gòu)。

圖4.主要頻率成分超過(guò)測(cè)量系統(tǒng)帶寬

圖4在信號(hào)的主要頻率成分超過(guò)測(cè)量系統(tǒng)帶寬時(shí)(a)，它們會(huì)經(jīng)歷較高程度的衰減。結(jié)果，通過(guò)磨圓拐角和拉長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，波形細(xì)節(jié)會(huì)丟失(b)。

限制帶寬的主要影響是降低信號(hào)幅度。信號(hào)的基礎(chǔ)頻率越接近探頭的3-dB帶寬，探頭輸出上看到的整體信號(hào)幅度越低。在3-dB點(diǎn)上，幅度下降30%。此外，由于帶寬滾降，擴(kuò)展到探頭帶寬之上的信號(hào)諧波或其它頻率成分會(huì)經(jīng)歷更高程度的衰減。在較高的頻率成分上衰減程度較高，可以通過(guò)銳角變圓及快速波形轉(zhuǎn)換變慢看出這一點(diǎn)(參見(jiàn)圖4)。

還應(yīng)該指出，探頭尖端電容也限制著信號(hào)轉(zhuǎn)換的上升時(shí)間。但是，這與信號(hào)源阻抗和信號(hào)源負(fù)荷有關(guān)。

信號(hào)源阻抗

討論信號(hào)源阻抗阻抗可以提煉為下面幾個(gè)要點(diǎn):

1.探頭的阻抗與信號(hào)源阻抗相結(jié)合，產(chǎn)生新的信號(hào)負(fù)荷阻抗，其在一定程度上會(huì)影響信號(hào)幅度和信號(hào)上升時(shí)間。

2.在探頭阻抗明顯高于信號(hào)源阻抗時(shí)，探頭對(duì)信號(hào)幅度的影響可以忽略不計(jì)。

圖5.示波器探頭

3.探頭尖端電容也稱為輸入電容，影響著信號(hào)的上升時(shí)間展寬。這是由于把探頭的輸入電容從10%提高到 90%所需的時(shí)間導(dǎo)致的，其公式如下:

tr =2.2 x Rsource X Cprobe

從上面幾點(diǎn)中，可以明顯看出最好選擇高阻抗、低電容探頭，以最大限度降低信號(hào)源的探頭負(fù)荷。此外，通過(guò)在可能的地方選擇低阻抗信號(hào)測(cè)試點(diǎn)，可以進(jìn)一步降低探頭負(fù)荷的影響。

物理連接考慮因素

信號(hào)測(cè)試點(diǎn)的位置和形狀也是探頭選擇的主要考慮因素。其是否足夠，剛好把探頭接觸到測(cè)試點(diǎn)上、在示波器上觀察信號(hào)?還是必需使探頭連接測(cè)試點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行各種電路調(diào)節(jié)?對(duì)前一種情況，適合采用針式探頭尖端;而對(duì)后一種情況，則要求某類可收縮的掛鉤探頭尖端。

測(cè)試點(diǎn)的規(guī)格也影響著探頭選擇。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的探頭和附件特別適合探測(cè)連接器針腳、電阻器引線和背板。但為了探測(cè)表面封裝電路，我們推薦使用帶有為表面封裝應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的附件的小型探頭。

圖6.探測(cè)表面封裝電路的小型探頭

目標(biāo)是選擇最適合特定應(yīng)用的探頭規(guī)格、形狀和附件，從而可以迅速、簡(jiǎn)便、牢固地把探頭連接到測(cè)試點(diǎn)上，以可靠地進(jìn)行測(cè)量。

審核編輯 黃宇