示波器探头问答 2

问题：如何选择合适的示波器探头？

图 1 使用短导线可实现更高的探头带宽和更低的寄生元件

选择合适的示波器探头的技巧和注意事项

精确测量时序：精确的时序测量需要高带宽。通常，有源探头的带宽（>500 MHz）远高于无源探头。但低阻抗电阻分压无源探头是个例外。它们支持非常高的带宽（GHz 级），并且坚固耐用、价格低廉。然而，请记住，使用这类探头时，示波器的输入阻抗应为 50 Ω，这会导致高电阻负载，从而大幅降低信号幅度。

分析高速信号：有源探头由于其低电容负载和高带宽，更适合高速信号。但是，对于高频信号，请记住，导线中的寄生元件会导致连接带宽大幅降低，性能下降。为了保持高连接带宽，请使用非常短的导线。

考虑高频下的探头负载效应：输入阻抗会随着信号频率的增加而降低。在低频下，输入阻抗可能从标称的 1 MΩ 开始。然而，随着频率的升高，无源探头和有源探头的阻抗下降速度不同。无源探头的阻抗下降速度远快于有源探头。由于高阻抗有利于降低负载效应，因此对于高频信号，建议使用有源探头而非无源探头。

测量探头负载：在探测电路之前，将探头尖端连接到电路上的某一点，然后将第二个探头连接到同一点。理想情况下，信号应该没有变化。如果信号发生变化，则是由探头负载引起的。

电流测量技巧：对电流探头进行消磁，以消除磁芯中的残余磁性并补偿任何直流偏移。

确保校准和补偿：确保示波器和探头已校准。校准后，确保正确设置探头补偿，特别是对于无源探头。

问题：是否有专用于高频或高压应用的示波器探头？

对于高压应用，例如 10076C 500 MHz 示波器探头，其具有 100:1 的高衰减比、66 MΩ 的高阻抗和高最大电压。

对于高频应用，例如测量密集电路中的数字信号，N2874A 等探头具有 2 pF 的极低输入电容和 1.5 GHz 的高带宽。

什么是额定电流？

电流探头的额定电流是指探头能够精确测量的最大电流值。

电流探头的额定电流范围很广，从几毫安到几百安培不等。选择额定电流高于被测电路最大电流的探头非常重要，这样才能确保测量的安全性和准确性。

什么是探头磁芯？

探头磁芯可以由不同的材料制成。磁芯是探头中产生磁场的部分。常用的探头磁芯材料是铁氧体和铁。

铁氧体是一种用于高频应用的陶瓷材料。它的磁导率很低，因此磁场不易穿透。这种低磁导率使铁氧体成为电流探头的理想材料，因为它能防止磁场饱和探头线圈。

铁是一种用于低频应用的金属。它的磁导率很高，因此在防止磁饱和方面不如铁氧体有效。

图 2 带有铜线的铁氧体磁芯线圈

什么是磁饱和？

磁饱和是指材料无法再被磁化的临界点，此时读数会变得不准确。当磁力线密度过高，相互相互作用，阻止磁化强度进一步增加时，就会发生磁饱和。

当流经电路的电流过大时，电流探头可能会发生磁饱和。此时，电流探头的线圈会被磁通量饱和，探头将无法再准确测量电流。

什么是电流钳？

电流钳是一种用于测量交流电 (AC) 或直流电 (DC) 的电气测量设备。电流钳无需与导体接触即可夹住导体。这种非侵入式测量方法可以快速安全地进行电流测量。

图 3 一名技术人员正在使用电流钳测试电路板上的电流

图中的探头为AC/DC 高灵敏度钳式电流探头

电流钳有两个钳口，可以张开和闭合以夹住导体。钳口连接到电流互感器，用于测量流过导体的电流。

使用 BNC 连接线时，将电流钳夹在导体上，并将连接线连接到示波器。示波器将测量由流过导体的电流在导体中感应出的电压。

问题：罗氏线圈的工作原理是什么？

罗氏线圈又称罗科夫斯基线圈，其工作原理是基于法拉第定律，讲述的是闭合电路中感应的总电动势与连接电路的总磁通量时间变化率的正比关系。罗科夫斯基线圈与交流电电流互感器类似，其中电压被导向第二线圈，并在该处与经过绝缘导体的电流成正比关系。关键区别在于罗科夫斯基线圈带有空心磁芯，这一点与电流互感器刚好相反，后者依靠高导磁率钢芯与第二绕线实现磁耦合。而空心磁芯则采用较低插入抗阻的设计，实现更快的信号响应和线性的信号电压。空心磁芯线圈以环形方式被置于带电流的导体周围，且交流电电流产生的磁场会在线圈中感应电压。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。

图 4 罗氏线圈原理图

罗科夫斯基线圈与线圈环路中电流变化率（导数）成正比的电压

如何连接示波器探头？

首先要选择与预期信号电压和频率相匹配的探头：无源探头适用于数百兆赫兹以下的通用测量。有源探头具有更高的带宽和输入阻抗，是低电平或高速信号的理想选择。

将探头的 BNC 连接器连接到示波器的输入通道，然后将探头尖端夹在测试点上。为了保持稳定，可以使用探头钩或测试点适配器。对于简单的测量或快速设置，一些工程师为了方便起见会使用带有鳄鱼夹接地线的探头。但是，请注意，这些较长的导线可能会引入噪声，并在高频下降低信号保真度。

示波器探头选择不当的结果是什么？

使用错误的探头会导致测量误差或示波器输入过载。无源探头可能带宽不足以处理高速数字信号，而有源探头对于低频测量来说可能过于强大（且价格昂贵）。

务必确保探头与信号类型、频率和电压电平相匹配。同时，还要确认探头的衰减设置与示波器的通道配置相符；10:1 的探头很常见，但对于低电压信号，也可以使用 1:1 的探头。错误的匹配会导致测量范围不足或过大，以及波形失真。

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