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示波器探頭怎么選?

來源: elecfans
2020-10-28
類別:基礎知識
eye 29
文章創建人 拍明

原標題:示波器探頭怎么選

一、核心參數解析:決定探頭性能的四大維度


參數關鍵指標影響典型場景閾值
帶寬探頭的-3dB截止頻率(如500MHz)決定信號頻率測量上限,帶寬不足導致高頻失真數字信號:≥信號最高頻率的5倍;模擬信號:≥3倍
衰減比1:1(無衰減)、10:1(10倍衰減)影響垂直靈敏度與輸入阻抗高壓信號選10:1;低電平信號選1:1
輸入阻抗1MΩ(并聯10-20pF)或50Ω1MΩ適配高阻電路,50Ω適配高速信號源射頻/高速串行總線(如HDMI)必選50Ω
上升時間探頭帶寬的0.35倍(如500MHz探頭≈700ps)決定測量脈沖信號邊沿的能力測量1ns上升沿需≥500MHz帶寬


案例

  • 測量100MHz時鐘信號時,若探頭帶寬僅100MHz,實測信號幅度將衰減30%(-3dB),邊沿時間增加1.5倍(失真)。

  • 50Ω探頭匹配50Ω源端阻抗時,信號反射損耗<0.5dB;若誤用1MΩ探頭,反射損耗可達12dB(信號幅度衰減75%)。


二、探頭類型對比:按需選擇最適方案


類型典型帶寬輸入阻抗典型應用價格范圍核心優缺點
無源電壓探頭50MHz-1GHz1MΩ/10pF通用電路調試、電源紋波測量50500優點:成本低、魯棒性強;缺點:帶寬受限,無法測量差分信號
有源電壓探頭500MHz-8GHz1MΩ/1pF高速數字電路(如DDR、USB 3.0)15,000優點:帶寬高、輸入電容小;缺點:需供電,價格高
差分探頭50MHz-6GHz1MΩ/0.25pF高速串行總線(如PCIe、MIPI)210,000優點:共模抑制比高(>80dB),抗干擾強;缺點:帶寬衰減系數高(實測帶寬為標稱值的70%)
電流探頭DC-50MHz50mΩ電源功耗分析、電機驅動電流3002,000優點:非侵入式測量;缺點:帶寬低,低頻精度受磁芯飽和影響
高壓探頭10kHz-100MHz100MΩ/1pF電力電子、逆變器測試18,000優點:耐壓高(如10kV);缺點:帶寬低,寄生電容大

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選購建議

  • 通用調試:優先選擇10:1無源探頭(如泰克P6139B,帶寬500MHz,兼容主流示波器)。

  • 高速信號:有源單端探頭(如是德科技N2796A,2GHz帶寬,輸入電容0.9pF)可避免負載效應。

  • 差分信號:差分探頭(如羅德與施瓦茨RT-ZD10,6GHz帶寬,共模抑制比100dB@1GHz)是PCIe 5.0調試必選。


三、關鍵指標的權衡與妥協

  1. 帶寬 vs. 成本

    • 帶寬每提升1倍,價格通常上漲3-5倍。例如,泰克TAP4000系列探頭(4GHz)價格是TAP1500系列(1.5GHz)的4倍。

    • 妥協方案:若需測量200MHz信號,可選300MHz探頭(成本降低40%),但需接受10%的幅度誤差。

  2. 衰減比 vs. 噪聲

    • 1:1探頭噪聲低(如泰克P2220,噪聲<1mVrms),但量程僅±15V;10:1探頭量程±150V,但噪聲增加3倍(如泰克P6139B,噪聲<3mVrms)。

    • 選擇邏輯:測量mV級信號(如傳感器輸出)必選1:1探頭;測量±100V信號(如電源軌)需10:1探頭。

  3. 輸入阻抗 vs. 負載效應

    • 1MΩ探頭并聯10pF電容,對100kHz信號的負載效應(RC時間常數16μs)可忽略;但對100MHz信號,負載電容導致信號幅度衰減30%。

    • 解決方案:高速信號測試改用50Ω探頭(如泰克P7716,帶寬16GHz),或使用有源饋通補償器(如Pickering 40-760系列)。


四、進階需求:特殊場景下的探頭選擇

  1. 浮地測量

    • 方案:差分探頭(如泰克TDP7700,共模電壓范圍±60V)或隔離探頭(如是德科技N2791A,共模抑制比100dB@1GHz)。

    • 風險:使用無源探頭測量浮地信號可能導致示波器通道間短路,損壞設備。

  2. 高精度低電平測量

    • 方案:低噪聲有源探頭(如羅德與施瓦茨RT-ZPR20,噪聲<50μVrms,帶寬200MHz)。

    • 應用:醫療設備ECG信號采集、傳感器噪聲分析。

  3. 射頻信號測試

    • 方案:50Ω有源探頭(如安捷倫N2795A,帶寬6GHz,動態范圍14dBm)或近場探頭(如EMCO 3115,頻率范圍10kHz-3GHz)。

    • 關鍵指標:S21參數(傳輸損耗)需<-3dB,VSWR<1.5:1。


五、選購決策樹:三步定位最佳探頭

  1. 明確測量對象

    • 信號類型:電壓/電流/差分?

    • 信號范圍:幅度、頻率、共模電壓?

    • 負載要求:被測電路輸入阻抗?

  2. 匹配示波器性能

    • 探頭帶寬≥示波器帶寬的80%(避免探頭帶寬限制整體系統性能)。

    • 輸入阻抗匹配:示波器通道阻抗需與探頭輸出阻抗一致(如50Ω示波器接50Ω探頭)。

  3. 評估預算與擴展性

    • 基礎配置:1支無源探頭+1支差分探頭(覆蓋80%場景)。

    • 高端配置:增加有源探頭、電流探頭、高壓探頭(滿足全場景需求)。


六、避坑指南:常見誤區與解決方案

  1. 誤區1:探頭帶寬與示波器帶寬混淆

    • 錯誤做法:用100MHz探頭測100MHz示波器,實測帶寬僅70MHz(乘積效應)。

    • 正確做法:探頭帶寬≥示波器帶寬的1.5倍。

  2. 誤區2:忽視探頭補償調節

    • 現象:方波信號頂部出現圓角或過沖。

    • 解決:使用示波器自帶的探頭補償信號(通常為1kHz方波),調節探頭補償電容至方波平頂。

  3. 誤區3:濫用10:1探頭

    • 風險:測量mV級信號時,10:1探頭噪聲淹沒有效信號。

    • 數據:1:1探頭噪聲密度約10nV/√Hz,10:1探頭噪聲密度約30nV/√Hz。


七、推薦型號與場景適配


需求場景推薦探頭型號核心優勢價格
通用電子調試泰克P6139B(10:1無源,500MHz)兼容性最佳,價格親民$350
高速數字電路是德科技N2796A(有源,2GHz)輸入電容<1pF,負載效應極低$2,800
差分信號測試羅德與施瓦茨RT-ZD10(6GHz)共模抑制比100dB@1GHz,抗干擾能力極強$6,500
電源紋波測量泰克P7713(1:1有源,200MHz)噪聲<50μVrms,帶寬覆蓋開關電源頻譜$1,200
浮地高壓測量是德科技N2791A(隔離,1GHz)共模電壓范圍±60V,安全隔離$4,500



八、總結:高效選購的四大原則

  1. 帶寬冗余原則:探頭帶寬≥信號最高頻率的5倍(數字信號)或3倍(模擬信號)。

  2. 負載適配原則:高阻電路用1MΩ探頭,高速信號用50Ω探頭。

  3. 精度優先原則:低電平信號(<100mV)必選1:1探頭,高壓信號(>100V)用10:1或高壓探頭。

  4. 成本效益原則:基礎配置選無源+差分探頭組合,高端需求增加有源/隔離探頭。

一句話結論

  • 通用場景:泰克P6139B(500MHz無源探頭)是性價比之王;

  • 高速需求:是德科技N2796A(2GHz有源探頭)可避免信號失真;

  • 差分信號:羅德與施瓦茨RT-ZD10(6GHz差分探頭)是PCIe 5.0調試必選。


責任編輯:David

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標簽: 示波器探頭

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