從探頭到傳感器：德思特?cái)?shù)字化儀的全面結(jié)合與應(yīng)用

電壓探頭可以用于轉(zhuǎn)換信號(hào)電平、改變阻抗或提供更方便的連接方法。而包括電流探頭、加速度計(jì)和光電倍增管在內(nèi)的傳感器或變送器，則可以將各種物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這兩種輸入設(shè)備都受到德思特?cái)?shù)字化儀的支持。這篇應(yīng)用筆記將介紹如何將德思特板卡式數(shù)字化儀和探頭、傳感器結(jié)合使用。

一、關(guān)于探頭

TS數(shù)字化儀的輸入端對(duì)大多數(shù)被動(dòng)式（無源）示波器探頭都兼容；但是，您必須注意探頭會(huì)如何影響您正在測(cè)試的電路，以及如何正確縮放經(jīng)過探頭采集到的電壓數(shù)據(jù)。本應(yīng)用筆記的前半部分將介紹探頭，包括它們的工作原理以及它們?nèi)绾斡绊憸y(cè)量。

1.直連式探頭

讓我們首先思考一下，如果你使用同軸電纜將數(shù)字化儀的1MΩ輸入端直接接到待測(cè)點(diǎn)，如圖1所示，會(huì)發(fā)生什么。

圖1：使用同軸線纜進(jìn)行直接連接的簡(jiǎn)化等效電路

此時(shí)，數(shù)字化儀的的輸入電容約為35 pF。而同軸電纜本身的電容范圍每30 cm長(zhǎng)度大概為10~30 pF。我們假設(shè)電路中的總電容為95 pF，此時(shí)，我們來計(jì)算在10MHz下95pF電容的電容性阻抗（Xc）：

代入f=10MHz、C=95pF的結(jié)果是168Ω的阻抗，這會(huì)顯著衰減我們想要測(cè)量的電壓信號(hào)。因此，如果簡(jiǎn)單使用待屏蔽電纜將數(shù)字化儀連接到待測(cè)設(shè)備，實(shí)際上會(huì)將這個(gè)電容的影響添加到電路中。

2.高阻抗被動(dòng)式探頭

高阻抗被動(dòng)式探頭使用了一個(gè)電容補(bǔ)償分壓器，這通常會(huì)有一個(gè)10:1的縮小比（縮小到10分之1）。這樣的補(bǔ)償分壓器將導(dǎo)致最小輸入電容降低為10pF，外加10倍的衰減。再進(jìn)一步，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，探頭的負(fù)載電阻也增加到大約10倍，如圖2所示。

圖2：一個(gè)10:1高阻抗無源探頭的簡(jiǎn)化電路圖

通過增加探頭的衰減，還可以進(jìn)一步減少整體輸入電容，但這又會(huì)減小進(jìn)入數(shù)字化儀的信號(hào)幅值，使得對(duì)信號(hào)精確測(cè)量的難度增加。在一般實(shí)踐中，10:1的衰減比通常就是信號(hào)幅值和負(fù)載阻抗之間的良好折衷。

這種類型的探頭可以具有高達(dá)500MHz的帶寬。然而，這種已經(jīng)較低電容值，對(duì)于更高的頻率來說也可能太大。比如在500MHz下，10pF的探頭電容對(duì)應(yīng)阻抗約為32Ω，這將一定程度拉低除低阻抗輸出電路以外的電壓信號(hào)。當(dāng)然，在較低頻率下，這個(gè)問題不大。

不要忘記，這種探頭會(huì)將輸入電壓水平降低到1/10，這在數(shù)字化儀讀數(shù)時(shí)必須加以考慮。這將在本文后面進(jìn)行討論。

3.傳輸線（低電容）探頭

如前所述，高頻測(cè)量需要輸入電容非常低的探頭。通過將同軸電纜視為傳輸線，可以極大地降低輸入電容。如果數(shù)字化儀的輸入電阻設(shè)為50Ω阻抗模式，那么電纜輸入端的阻抗在所有頻率下都是恒定的50Ω，此時(shí)的輸入電容小到可以忽略。同樣，這個(gè)非常低的負(fù)載阻抗可以使用電壓分壓器增加；一個(gè)450Ω的串聯(lián)電阻可以將測(cè)量端幅值降低到1/10，并得到一個(gè)相對(duì)恒定的500Ω負(fù)載阻抗。如圖3畫出了一個(gè)低電容線纜或傳輸線探頭，數(shù)字化儀中設(shè)置為50Ω阻抗模式。

圖3：一個(gè)10:1傳輸線探頭以及模擬輸入設(shè)置為50Ω阻抗模式的數(shù)字化儀組成的電路

這種傳輸線探頭的輸入電容通常非常低，通常只有幾分之一皮法。這種探頭的限制因素通常是較低的輸入電阻。即使對(duì)于一個(gè)10x探頭，其輸入電阻也只有500Ω，這可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)輸出電路負(fù)載過重，從而影響信號(hào)質(zhì)量。這類探頭通常應(yīng)用于高頻領(lǐng)域中，高頻領(lǐng)域的電路會(huì)按50Ω阻抗標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

4.如果選擇無源探頭

對(duì)于高阻無源探頭，有多種衰減比例可選，其中10:1和100:1的衰減比是較為常見的。配合1MΩ輸入阻抗的數(shù)字化儀工作時(shí)，它們分別提供10MΩ和100MΩ的輸入電阻。具有14~16位分辨率的數(shù)字化儀與100:1探頭能很好地匹配，因?yàn)樗鼈兙哂凶銐虻膭?dòng)態(tài)范圍和精度來測(cè)量探頭衰減后的微小信號(hào)。

探頭必須與數(shù)字化儀的輸入電容相匹配。對(duì)于具有35pF輸入電容的數(shù)字化儀通道，您需要選擇補(bǔ)償電容范圍能覆蓋該電容值的探頭。

大多數(shù)高阻抗無源探頭使用BNC連接器。如果數(shù)字化儀也使用BNC接口輸入，那就可以直接連接使用了。但由于BNC連接器需要占用大量的空間，而板卡式數(shù)字化儀的面板空間通常很小，在這種情況您很可能需要使用額外的轉(zhuǎn)接器。例如，數(shù)字化儀使用SMA連接器時(shí)，您就會(huì)需要SMA到BNC轉(zhuǎn)換器來配合使用。

傳輸線探頭工作需要匹配數(shù)字化儀的50Ω輸入阻抗模式。由于傳輸線探頭通常支持GHz級(jí)的帶寬，因此它們通常使用SMA連接器。

5.有源探頭

有源探頭中會(huì)包含一個(gè)由電壓分壓器驅(qū)動(dòng)的補(bǔ)償放大器。放大器的緩沖輸出則會(huì)接到同軸電纜上，電纜的特征阻抗與傳輸線探頭中的電纜特征阻抗相同（50Ω）。在某些探頭中，還會(huì)包括隔離電路，它會(huì)將電纜的容性負(fù)載和數(shù)字化儀的輸入電路隔離開。這些探頭通常需要數(shù)字化儀或示波器供電并進(jìn)行控制。如果要將這些探頭與數(shù)字化儀結(jié)合使用，那么您還會(huì)需要用到由探頭供應(yīng)商提供的獨(dú)立電源和控制接口（若有）。

二、使用具有重縮放功能的被動(dòng)探針的應(yīng)用示例

當(dāng)您使用具有非1:1衰減比例的被動(dòng)探針時(shí)，數(shù)字化儀的輸入端電壓水平將被衰減。而您可以通過重新縮放輸入水平來補(bǔ)償這種衰減。如果您使用德思特的SBench 6軟件進(jìn)行控制、獲取和分析，這可以很容易地在模擬通道設(shè)置中完成，如圖4所示。

圖4：使用SBench 6軟件重新縮放從探針獲取到的數(shù)據(jù)

首先，雙擊屏幕左側(cè)“模擬輸入”列表中連接到探針的通道。在彈出的“設(shè)置通道”對(duì)話框（如圖所示）中，選中“設(shè)置自定義單位”復(fù)選框，并選擇探針?biāo)p比例，在本例中選擇的是100:1。此時(shí)我們應(yīng)當(dāng)注意，現(xiàn)在最大幅度值10V代表的實(shí)際被測(cè)電壓為1000V。

如果您在使用第三方或自定義軟件包來控制數(shù)字化儀，您可能需要在垂直縮放選項(xiàng)中進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

三、傳感器

傳感器或變送器會(huì)對(duì)某種物理屬性敏感，并將其轉(zhuǎn)換為與被測(cè)量屬性值成比例的電壓信號(hào)。一個(gè)常見的例子就是電流探頭。它能將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，其中電壓水平與被測(cè)的電流水平成比例。表1提供了一些常見的傳感器示例，以及測(cè)量的物理屬性和單位。

傳感器接口

將傳感器或變送器與數(shù)字化儀匹配需要了解傳感器的輸出范圍、輸出阻抗、帶寬和靈敏度。首先，傳感器的輸出范圍必須在數(shù)字化儀的測(cè)量電壓范圍內(nèi)，否則需要外加衰減器或放大器來將其帶入恰當(dāng)?shù)姆秶?/p>

大多數(shù)傳感器都設(shè)計(jì)為與特定的阻抗配合使用，而德思特的數(shù)字化儀，會(huì)提供1MΩ或50Ω兩個(gè)輸入阻抗選項(xiàng)。大多數(shù)寬帶變送器設(shè)計(jì)為與50Ω負(fù)載阻抗相匹配。而低帶寬傳感器則可能需要用到1MΩ輸入阻抗模式。還有一些特殊變送器可能會(huì)設(shè)計(jì)為與75Ω或600Ω等其他阻抗配合使用。在這種情況下，可能需要用到阻抗匹配轉(zhuǎn)換器，并需要對(duì)傳感器靈敏度作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

選用的數(shù)字化儀型號(hào)帶寬應(yīng)顯著大于傳感器的帶寬，以避免降低傳感器-數(shù)字化儀系統(tǒng)的有效帶寬。當(dāng)數(shù)字化儀帶寬與傳感器帶寬的比值大于7:1時(shí)，可幫助幅值測(cè)量的不確定度控制在小于1%。

靈敏度是傳感器電輸出給幅值與等效的被測(cè)屬性之間的比值。例如，加速度計(jì)的靈敏度可能設(shè)為10mV/g。這意味著對(duì)于被測(cè)加速度為1g時(shí)，變送器會(huì)輸出一個(gè)10mV的電壓信號(hào)。了解靈敏度對(duì)于將數(shù)字化儀校準(zhǔn)為直接讀取被測(cè)單位而不是直接電壓?jiǎn)挝环浅Ｖ匾?/p>

此外，大多數(shù)變送器還需要電源供電，這通常和提供給數(shù)字化儀的電源相互獨(dú)立。變送器供應(yīng)商通常會(huì)一并提供電源和相關(guān)電子附件。

四、將電流探頭和數(shù)字化儀配合使用

獨(dú)立電流探頭需要注意其電源和設(shè)置的電流測(cè)量范圍、偏移量和去磁（為探頭去磁）的控制。通常電流探頭匹配50Ω的終端阻抗。在本例中，我們使用的探頭靈敏度為1 mV/mA。因此，數(shù)字化儀的±200毫伏滿量程范圍將對(duì)應(yīng)±200毫安的電流范圍。然后我們將數(shù)字化儀輸入負(fù)載設(shè)為50Ω阻抗模式，滿量程范圍限制為±4V。正如我們?cè)谇懊媸褂帽粍?dòng)探針的示例中所做的那樣，雙擊屏幕左側(cè)“模擬輸入”列表中使用電流探頭的通道。這將彈出“設(shè)置通道”對(duì)話框，如圖5所示。

圖5：使用“設(shè)置通道”對(duì)話框來縮放電流探頭的輸出，以讀取±4A滿量程

選中“設(shè)置自定義單位”復(fù)選框。幅度（伏）框中填入數(shù)字化儀輸入范圍的最大和最小值，在本例中分別為+4和-4V。然后在“自定義值（基礎(chǔ)）”框中輸入所需要對(duì)應(yīng)電流范圍的最大和最小值，本例中為+4和-4。在“自定義單位（基礎(chǔ)）”框中輸入單位，本例中為A（安培）。數(shù)字化儀就會(huì)對(duì)這個(gè)通道的當(dāng)前測(cè)得值以安培為單位讀取。設(shè)置框后面的網(wǎng)格垂直刻度也會(huì)變成以電流單位（A）為單位。

五、將壓力傳感器和數(shù)字化儀配合使用

壓電換能器是一類基于壓縮晶體或陶瓷元件產(chǎn)生電壓的換能器。壓力傳感器就是通過直接將力施加到換能器元件上來測(cè)量力。常見的加速度計(jì)就是將一塊已知質(zhì)量的物體置于壓電元件上，利用元件所受的力與加速度成正比的原理，通過壓力測(cè)出加速度。而壓強(qiáng)則通過一個(gè)隔膜傳遞到壓點(diǎn)元件上，從而把施加到隔膜上的壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為成正比的壓力。所有這些壓力傳感器都需要外部供電，并且大多數(shù)都與1MΩ負(fù)載阻抗匹配。圖6展示了配合壓強(qiáng)傳感器使用時(shí)，數(shù)字化儀的縮放配置。

圖6：使用SBench 6軟件縮放壓力傳感器的輸出，使讀取單位變成psi

示例中的壓強(qiáng)傳感器靈敏度為100 mV/psi。同樣在SBench 6中雙擊通道彈出的通道設(shè)置中，選中“設(shè)置自定義單位”復(fù)選框。如果要以psi為單位讀取測(cè)量值，則輸入最大范圍為+10和最小范圍為-10，這對(duì)應(yīng)著±1V的輸入量程范圍。然后請(qǐng)將自定義單位設(shè)置為psi，現(xiàn)在垂直刻度將顯示為psi的值。如果想要垂直單位為Pa（帕斯卡），而不是psi，那么±1V的輸入量程范圍則應(yīng)該對(duì)應(yīng)±68947 Pa的壓強(qiáng)范圍。同樣，我們可以把這個(gè)新的范圍與自定義單位Pa一起輸入到SBench 6的自定義單位設(shè)置項(xiàng)中。

總結(jié)

通過適當(dāng)?shù)目s放設(shè)置，示波器探頭和其他傳感器可以與我們的數(shù)字化儀結(jié)合使用，并且可以按所需的自定義單位直接從軟件界面中讀取數(shù)據(jù)。

審核編輯 黃宇