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示波器探头对测量电容负荷有影响吗?

  发布时间: 2022-06-22      浏览量:381
示波器探头

  随着信号频率或转换速率提高,阻抗的电容成分变成主要因素。结果,电容负荷成为主要问题。特别是电容负荷会影响快速转换波形上的上升时间和下降时间及波形中高频成分的幅度,那么示波器探头对测量电容负荷有哪些影响呢?

  对上升时间的影响

  为说明电容负荷,让我们考虑一下上升时间非常快的脉冲发生器,如图4.3所示,其中理想发生器输出上的脉冲的上升时间为零(t r=0)。但是,信号源阻抗负荷相关的电阻和电容改变了这个零上升时间。

  RC积分网络一直产生2.2RC的10-90%上升时间。这从电容器的通用时间常数曲线中推导得出。取值2.2是C通过R充电,把脉冲幅度从10%提高到90%所需的RC时间。

  在图4.3的情况下,50欧姆和20 pF的信号源阻抗导致2.2 ns的脉冲上升时间。这个2.2RC值是脉冲可以拥有的最快上升时间。

脉冲发生器的上升时间取决于其RC负荷

  4.3.脉冲发生器的上升时间取决于其RC负荷

  在探测脉冲发生器的输出时,示波器探头的输入电容和电阻加到脉冲发生器的值中,如图4.4所示,其中增加了10兆欧和11 pF的典型示波器探头。由于示波器探头10兆欧电阻要远远大于发生器的50欧姆电阻,因此示波器探头的电阻可以忽略不计。但是,探头的电容与负荷电容大体持平,直接增加得到31 pF的负荷电容。这提高了2.2RC的值,导致测得的上升时间提高到3.4 ns,而探测前的上升时间为2.2 ns。

  通过使用示波器探头规定电容与已知或估算源电容之比,可以估计探头尖端电容对上升时间的影响。使用图4.4中的值,可以估算上升时间的百分比变化如下:

  C探头尖端/C1 x 100%=11 pF/20 pF x 100%=55%

探头增加的电容提高了RC值,同时提高了测得的上升时间

  4.4.探头增加的电容提高了RC值,同时提高了测得的上升时间

  从上面可以清楚地看出,探头选择、尤其是示波器探头电容的选择会影响上升时间测量。对无源探头,一般来说,衰减比率越大,头部电容越低。从表4.1中可以看出这一点,其中介绍了各种无源探头的部分探头电容实例。

图片3.png

  表4.1.探头尖端电容

  在需要较小的头部电容时,应使用有源FET输入探头。根据具体的示波器有源探头模型,可以提供小于等于1 pF的头部电容。

  对幅度和相位的影响

  除影响上升时间外,电容负荷还影响着波形中高频成分的幅度和相位。对此要记住,所有波形都是由正弦曲线成分构成的。50 MHz方波拥有超过100 MHz的有效谐波成分。所以不仅要考虑波形基础频率上的负荷效应,而且要考虑超过基础频率几倍的频率上的负荷效应。

  负荷取决于探头尖端上的总阻抗。这称为Z p,Z p由电阻成分R p和电抗成分X p组成。电抗成分主要是电容,但在探头中可以设计电感单元,以部分偏移电容负荷。

  一般来说,Z p会随着频率提高而下降。大多数探头仪器手册会编制探头R p数据,文档中包括显示Z p与频率的关系曲线。图4.5是普通有源探头的实例。注意,1兆欧阻抗幅度固定在接近100 kHz。这通过认真设计示波器探头的相关电阻单元、电容单元和电感单元实现。

有源探头典型的输入阻抗随频率变化

  4.5.有源探头典型的输入阻抗随频率变化

  图4.6说明了探头曲线的另一个实例。在这种情况下,显示了典型10兆欧无源探头的Rp和X p与频率关系。虚线(Xp)说明了电容电抗随频率变化。注意,X p在DC上开始下降,但R p直到100 kHz时才开始明显滚降。通过认真设计相关R、C和L单元,再次可以偏移总负荷。

典型10兆欧无源探头的Xp和Rp与频率关系

  4.6.典型10兆欧无源探头的Xp和Rp与频率关系

  如果没有得到示波器探头的阻抗曲线,可以使用下述公式估算最坏情况下的负荷:

  X p=1/2πfC

  其中:

  X p=电容电抗

  f=频率

  C=探头尖端电容

  如,头部电容为11 pF的标准无源10兆欧探头的电容电抗(X p)在50 MHz时大约为290欧姆。根据信号源阻抗,这种负荷可能会给信号幅度带来很大影响(通过简单的分路器动作),其甚至可能会影响被探测的电路操作。

  以上就是关于示波器探头对测量电容负荷影响的相关介绍,如果使用中还有其他问题,欢迎登陆普科电子科技www.prbtek.com

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