差分有源探头
差分有源探头的前端放大器是差分放大器,共模抑制比的能力比较强,有高带宽和高电压的差分有源探头的分类。
高带宽的差分有源探头主要用于测试高速信号。这种探头带宽比一般的单端有源探头更高,一般高速的数字信号测试都会使用差分探头。
此外,对一些带宽需求不高,但是对动态范围反而有一定要求的场景,如浮地测量(浮地测量具体内容请查阅前期相关文章),CAN总线的测量等,这时需要使用高压差分探头。
电流探头
有时候我们在测试过程中还需要测试电流,测试电流有专门的电流探头。示波器基本上就是测量电压变化的,所以电流探头实质上是把电流参数按照一定的转化关系转化为电压,然后示波器再根据该电压值得到对应电流大小。电流探头主要是根据霍尔效应和电磁感应原理将电流信号转化为电压信号。
1)霍尔效应
主要通过电流通过路径所产生的磁场转化为电压信号测量。电压探头中有一个感应环,测试时把这个环套在供电线上,电流探头就能检测出供电线上电流产生的磁场,然后再转化为电压信号。这种探头的好处是可以检测直流和交流,但是缺点是小电流测量能力有限。我们可以通过把待测线缆在感应环里多绕几圈来放大电流产生的磁场,放大倍数等于绕的圈数。
2)电磁感应
利用电磁感应原理测量电流的电流探头灵敏度高,带宽也比较高,但是根据电磁感应原理,无法测量直流电流和低频电流。
探头不同条件对测量的影响
一个理想的探头模型应该具有输入阻抗无限大、无限带宽、零输入电容、动态范围无限大、零延时等特点。但是现实中没有这种理想的探头。由于各种寄生参数的存在,不同的测试情况导致的测量结果也可能不一样。
1)输入电容的影响
我们可以通过一个最简单的PP510无源探头来看一下不同输入电容对测量的影响,图3是该无源探头的数据:
图3 PP510无源探头的参数
从图3可以看出在1X和10X的档位的时候输入电容分别是85pF~120pF和18pF~22pF,10X档位的时候的输入电容远小于1X档位。我们可以在SDS1104X-E示波器上的通道1分别测试这两个档位测量同一个信号的上升时间的不同表现(注意:根据Trise*BW=0.35可以知道100M带宽对应的上升时间是3.5ns,PP510无源探头和100M示波器组成的测量系统的上升时间为4.94,即测量系统的带宽为70.85MHz,所以探头的带宽越高,系统越接近示波器的带宽)。无源探头直接使用配套的钩子和接地的小夹子,测量鼎阳STB-3实验板上的一个100KHz方波的上升时间,结果如图4和图5所示:
图4 PP510使用1X档位时示波器测量结果
图5 PP510使用10X档位时示波器测量结果
从上图结果可以明显看到1X档位波形失真比10X档位波形失真更为严重,而且上升时间比10X档位多了200%。由此我们可以感受到输入电容对测试结果的影响大小。