差分探头的基础知识
探头从总体上可分为无源探头和有源探头两大类型，而宽带宽示波器和有源探头的用户还需要在单端探头和差分探头之间做出选择。
单端探头测量的是信号对“地”的参考电压，而测量两路信号的相对电压差（与地平面无关），一般来说这两路信号是相位相差180度的正反电压，则需要使用差分探头。本质上，单端探头也是一种特殊的差分探头，因为测量的是信号与地平面的相对电势差，所以理论上用户也可以只买差分探头来覆盖所有差分信号和单端信号的测量需求，但多方面的因素又制约了这种可能性，与单端探头相比，差分探头价格更贵，使用也较不方面，需要额外的电源。
那单端探头能否从理论上代替差分探头的功能呢？答案是否定的，不仅仅是因为价格或使用方便性的因素，更重要的是技术层面，差分信号测试的应用特点决定了很多情况下只有差分探头而非单端探头才能胜任这一工作。这包括差分信号表现形式、共模抑制能力、安全的浮地电源测量等等。
1、差分测量特点
计算机、通信、消费类电子工业的快速发展推动着信号传输率不断提高，也推动着越来越多的信号协议从单端拓扑结构转向差分拓扑结构，何为差分信号？通俗地说，就是芯片驱动端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面：
3、安全的浮地测量
电源系统测试中经常要求测量三相供电中的火线与火线，或者火线与零（中）线的相对电压差，很多用户直接使用单端探头测量两点电压，导致探头烧毁的现象时有发生。这是因为：大多数示波器的”信号公共线”终端与保护性接地系统相连接，通常称之为“接地”。这样做的结果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信号都具有一个公共的连接点。该公用连接点通常是示波器机壳，通过使交流电源设备电源线中的第三根导线源线地线，并将探头地线连到一个测试点上。单端探头的地线与供电线直接相连，后果必然是短路。这种情况下，我们需要浮地测量。
此外，许多差分测量还要求抑制高共模信号，以便于评估低电平差分信号，多余的接地电流还会产生烦人的嗡嗡声和接地环路。用户常常借助那些存在潜在危险的测量技术来解决这些问题。
通过切断标准三头AC插座地线的方法或使用一个交流隔离变压器，切断中线与地线的连接。将示波器从保护地线浮动起来，以减小地环路的影响。这种方法其实并不可行，因为在建筑物的布线中中线也许在某处已经与地线相连，是不安全的测量方法，会带来l人身伤害，仪器和电路损坏！
此外，它违反了工业健康和安全规定，且获得的测量结果也差。而且，交流供电仪器在地面浮动时会出现一个大的寄生电容。因此，浮动测量将受到振荡的破坏。
总而言之，将示波器“浮地”非常糟糕的注意，这将导致：
―― 损坏被测器件；
―― 损坏示波器
――给人身带来潜在伤害
――导致很差的测量精度
问题该如何解决：
最佳解决办法就是使用高共模抑制比的差分探头，因为两个输入端都不存在接地的问题，两路输入信号的差分运算在探头前端放大器完成，传输到示波器通道的信号是已差分后的电压，示波器无需去掉三线插头的接地端即可实现安全的浮地测量。比如力科公司的ADP305高压差分探头即是安全测量三相市电的火线与火线、火线与中线间压差的最佳探头。
所谓“浮地”测量，即测量的两个点都不处于接地电位，这是一种典型的差分测量。“信号公共线”与地之间的电压可能会升高到数百伏。
a.抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被最大程度抵消。
b.能有效抑制EMI，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。
c.时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的 LVDS（low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。
差分信号的结构特点要求对应的测试设备也必须是差分拓扑，差分探头因此成为现代示波器的主流配件。下图1是典型的有源差分探头电路结构图：
针对高频信号测试，有源差分探头的主要好处是低输入电容、比单端探头抑制共模噪声的能力要高很多，其缺点主要体现在价格普遍较高以及需要额外的电源。比如力科公司的WaveLink 系列高带宽差分探头即是这类探头的代表。
2、差分探头具有高的共模抑制比
什么是共模抑制比，简单来说，就是差动放大电路中对信号共模成分的抑制能力，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Adm与对共模信号的电压放大倍数Acm之比，英文全称是Common Mode Rejection Ratio，一般用简写CMRR来表示。
我们可以这样定义：两个输入端分别对地的电压平均值为共模电压Vcm，经过差动放大器后的增益为共模增益Acm；两个输入端之间的相对电压差为差模电压Vdm，其经过差模放大器之后的增益为Adm。CMRR计算公式如下：
差模信号电压增益Adm越大，共模增益Acm越小，则CMRR越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Acm=0，则共模抑制比CCMR→∞，这是理想情况，实际上电路完全对称是不存在的，共模抑制比也不可能趋于无穷大。
哪些因素会影响探头的共模抑制比呢？
电路对称性——电路的对称性决定了被放大后的信号残存共模干扰的幅度，电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号（干扰）的能力也就越差。
信号频率或者Dv/Dt
任何探头或仪器输入的不匹配。
很显然，CMRR值越大越好，一般在60dB(1000:1)左右，但随着频率增加CMRR会逐渐减少。因为越快的信号边沿越容易再正负两端产生偏差，因而也会带来更多的共模电压，如下图所示。
CMRR为什么很重要，因为差分探头的CMRR指标若不好，则共模电压会加入差分电压内，造成测量上的误差，下面为一实例：
该示例说明，200:1的共模抑制比显然是不够的，优异的差分探头CMRR指标必须远高于这个值才能保证测量结果的准确度，比如力科公司的ADP305高压差分探头CMRR为80dB(10000:1)，而差分放大器DA1855A 的CMRR指标更是高达100dB(100000:1)，能充分满足高精度差分电压测试的需要。
单端探头的CMRR指标为什么很难做高？单端探头模型表明了探头放大器到“大地”地线之间有一个寄生电阻和寄生电感，这两个元件构成了由探头电缆屏蔽层和大地地线组成的传输线所产出的特性阻抗。这一特性阻抗是很重要的，因为当你给单端探头加一个共模信号时，地线电感值就与这一特性阻抗一起组成了一个分压器。此分压器对到达放大器的地线信号起衰减作用。由于放大器的信号和地线输入信号受到的衰减各不相同，在放大器的输入端上就出现了一个净信号，从而使放大器有输出信号。地线电感越大，共模抑制能力越低，所以当使用单端探头时，保持地线尽量短是很重要的。
当你给差分探头加上一个共模信号时，放大器的正负两个输入端都有同一个信号。所产生的唯一输出信号是该放大器抑制特性的函数，它与连线电感无关。因此，在存在很大的共模噪音时，用差分探头来测量更为精确。这是差分探头与单端探头之间很典型的区别，除非单端探头的接地连接的电感非常小，而这一点在实际实践中是很难做到的。所以实际的差分探头CMRR一般都优于单端探头。
示波器探头基础知识 示波器探头原理---示波器探头工作原理 示波器探头不仅仅是把测试信号判定以示波器输入端的一段导线，而且是测量系统的重要组成部分。探头有很多种类型号各有其特性，以适应各种不同的专门工作的需要，其中一类称为有源探头，探头内包含有源电子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件如电阻和电容。这种探头通常对输入信号进行衰减。 我们将首先集中讨论通用无源探头，说明共主要技术指标以及探头对被测电路和被测信号的影响，接着简单介绍几种专用探头及其附近。 屏蔽 示波器探头的一个重要任务是确保只有希望观测的信号才在示波器上出现，如果我们仅仅使用一普通导线来代替探头，那么它的作用就好象是一根天线，可以从无线电台、荧光灯，电机、50或60Hz的电源的交流声甚至当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号，这类噪声甚至还能注入到被测电路中去所以我们首先需要的是屏蔽的电缆，示波器探头的屏蔽电缆通过探头尖端的接地线和被测电路连接，从而保证了很好的屏蔽。 一．探头构造图：
4. 一个探头，就算它只是简单的一条电线，它也可能是一个很复杂的电路。a）对于DC 信号( 0 Hz 频率)，探头作为一对导线与一系列电阻，就向一个终端电阻一样。 b) AC 信号的特性变化是因为：电线具有分布电感(L)，电线具有分布电容(C)。分布电感反作用于AC信号，在信号频率增加时，阻止AC信号通过。分布电容反作用于AC信号，在信号频率增加时，减小 AC信号电流通过的阻抗。这些反作用元件(L 和 C )的交互作用，与电阻元件(R)一起，成为随信号频率不同而变化的探头阻抗。
数字示波器基础知识 耦合 耦合控制机构决定输入信号从示波器前面板上的BNC输入端通到该通道垂直偏转系统其它部分的方式。耦合控制可以有两种设置方式，即DC耦合和AC耦合。 DC耦合方式为信号提供直接的连接通路。因此信号提供直接的连接通路。因此信号的所有分量（AC 和：DC）都会影响示波器的波形显示。 AC耦合方式则在BDC端和衰减器之间串联一个电容。这样，信号的DC分量就被阻断，而信号的低频AC分量也将受阻或大为衰减。示波器的低频截止频率就是示波器显示的信号幅度仅为其直实幅度为71％时的信号频率。示波器的低频截止频率主要决定于其输入耦合电容的数值。 和耦合控制机构有关的另一个功能是输入接地功能。这时，输入信号和衰减器断开并将衰减器输入端连至示波器的地电平。当选择接地时，在屏幕上将会看到一条位于0V电平的直线。这时可以使用位置控制机构来调节这个参考电平或扫描基线的位置。 输入阻抗 多数示波器的输入阻抗为1MΩ和大约25pF相关联。这足以满足多数应用场合的要求，因为它对多数电路的负载效应极小。 有些信号来自50Ω输出阻抗的源。为了准确的测量这些信号并避免发生失真，必须对这些信号进行正确的传送和端接。这时应当使用50Ω特性阻抗的电缆并用50Ω的负载进行端接。某些示波器，如PM3094和PM3394A，内部装有一个50Ω的负载，提供一种用户可选择的功能。为避免误操作，选择此功能时需经再次确认。由于同样的理由，50Ω输入阻抗功能不能和某些探头配合使用。 相加和反向 简单的把两个信号相加起来似乎没有什么实际意义。然百，把两个有关信号之一反向，再将二者相加，实际上就实现了两个信号的相减。这对于消除共模干扰（即交流声），或者进行差分测量都是非常有用的。 从一个系统的输出信号中减去输入信号，再进行适当的比例变换，就可以测出被测系统引起的失真。 由于很多电子系统本身就具有反向的特性，这样只要把示波器的两个输入信号相加就能实现我们所期望的信号相减。 带宽
一、前言 我们都知道使用示波器，就必须使用探针 由于半导体组件的速度愈来愈快，受测电路的讯号自然愈来愈高速化。今天要正确地从受测电路检出讯号，并传送到示波器的输入端。而又不影响受测电路的正常运转，绝对不是一件容易的事情。使用正确的探棒是一个关键。若探针选用不当，即使购买再昂贵的示波器，也无济于事。现在市面上有许多种类的探棒可以帮助使用者在各种不同条件下完成电路检测的工作，差动探棒就是其中一类。 差动探针早期主要是用来量测电力系统，电力转换器及转换式电源供应器。所量测的讯号通常都是相当大的浮动讯号，从数十伏到数仟伏。近年来由于数字电路的高速化，数字设计及数字传输中大量使用差动讯号，因而出现新型的低压高速差动探针。它的量测范围很小。只有几伏甚至零点几伏，但频宽很宽，可高达数 GHz 。在现代的示波器量测中，不管是高压型差动探针，或是高速型差动探针，在他们各自的领域中，都是不可或缺的。 二、示波器探棒的选择 - 电力差动讯号在电力电子电路中，通常有许多相当大的浮动讯号，图二是一个典型的交换式电源供应器 (Switching Power) 的电力电路，我们可以将它以Vd( 差动讯号 ) ， VCM( 共模讯号 ) 及 VLINE ( 电源讯号 ) 来表示。
当我们用示波器观测电力电子电路讯号时，如果使用单端探棒，将造成短路，损坏待测物及测试设备，甚至造成测量人员触电等 ( 图三 ) 。 电路与示波器的接地端形成短路回路，所以有些量测人员便将示波器的电源接地拆掉，浮接示波器，来避免短路回路的形成 ( 图四 ) ，但是，这样就可以解决我们在电力电子电路的量测问题了吗让我们就这样的方式来讨论：
低压差分探头说明书 DP6020 （20V/ 200MHz）
前 言 首先，感谢您购买该产品，这份产品使用说明书，是关于该产品的功能、使用方法、操作注意事项等方面的介绍。使用前，请仔细阅读说明书，正确使用。阅读完后请好好保存。 说明书中，注释将用以下的符号进行区分。 为安全使用本机器，必须严格遵守以下安全注意事项。如果不按照该说明书使用的话，有可能会损害机器的保护功能。此外，违反注意事项进行操作产生的人身安全问题，本公司概不负责。 ● 请小心注意触电危险，注意最高输入电压。 ● 请勿在潮湿的环境下或者易爆的风险下使用。 ● 被测电路接入探头之前，确保先关闭被测电路。 ● 测量结束后，先关闭电路，再取走探头。 ● 探头BNC 输出线连接示波器或者其它设备时，确保BNC 端子可靠接地。 ● 使用之前，请检查探头外皮是否有破损，若出现破损情况，请停止使用！ ● 选择本产品标配的适配器供电。 DP6020简要说明 在错误操作的情况下，用户有受伤的威胁，为避免此类危险，记载了相关的注意事项。 错误操作时，用户有受轻伤和物质损害的可能，为避免此类情况，记载的注意事项。 该符号表示对人体和机器有危害，必须参照说明书操作。 记载着使用该机器时的重要说明。
目录 前言 (1) DP6020简要说明 (1) 概述 (3) 应用 (3) 产品及附件说明 (3) 探头主体说明 (3) 附件说明 (4) 电气规格 (5) 机械规格 (6) 环境特性 (6) 操作步骤 (6) 保养及维护 (7) 保修 (7) 装箱单 (7)
1. 概述 DP6020探头是具有浮地测量功能的低压差分探头。测量电压±20V(DC+Pk),其带宽最高达200MHz，提供 10:1 的衰减设置，具有 1 MΩ的输入阻抗，以及 3.5 pF 的低输入电容，可以最大程度地降低电路负载，具有过压报警功能，可以兼容任何具有 50 Ω BNC 输入的示波器，并可以通过示波器或计算机上的 USB 端口供电。在各种应用中得到广泛使用，可以为当今的高速功率测量、车载总线测量和数字系统设计提供出色的通用差分信号测量。 2. 应用 ◆浮地差分信号测量 ◆高速功率测量 ◆数字差分总线 ◆汽车串行总线（CAN、LIN、FlexRay） 3.产品及附件说明 ■探头主体说明 详细说明： ?①输入线：长度约15cm，连接探夹后测量电压信号。 ?②偏置调节：调节该可调电阻，实现输出偏置调节。 ?③连接线：探头前端和后端连接线，长度70cm ?④电源接口：标准的USB B型接口，通过标配的USB适配器供电；也可以通过示波器供 电，使用方便。 ?⑤过载报警指示灯(Overload):测量范围超过量程时，过载指示灯亮，且发出报警声。 ?⑥输出接口：标配标准的BNC输出接口，可接任何厂家示波器，要求示波器输入阻抗设 置为50Ω，或者接标配的贯通式50Ω负载，示波器输入阻抗设置成1MΩ。
示波器的原理和使用 示波器是一种用途广泛的基本电子测量仪器，用它能观察电信号的波形、幅度和频率等电参数。用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时间差，一些性能较好的示波器甚至可以将输入的电信号存储起来以备分析和比较。在实际应用中凡是能转化为电压信号的电学量和非电学量都可以用示波器来观测。 【实验目的】 1．了解示波器的基本结构和工作原理，掌握使用示波器和信号发生器的基本方法。2．学会使用示波器观测电信号波形和电压幅值以及频率。 3．学会使用示波器观察李萨如图并测频率。 图1-1 示波器结构图 【实验原理】 不论何种型号和规格的示波器都包括了如图1-1所示的几个基本组成部分：示波管（又称阴极射线管，cathode ray tube，简称CRT）、垂直放大电路（Y放大）、水平放大电路（X放大）、扫描信号发生电路（锯齿波发生器）、自检标准信号发生电路（自检信号）、触发同步电路、电源等。 1．示波管的基本结构
示波管的基本结构如图1-2所示。主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，全都密封在玻璃壳体内，里面抽成高真空。 (1)电子枪：由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极五部分组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“辉度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极与第二阳极电位之间电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚集作用，所以， H-灯丝；K-阴极；G1，G2- 控制栅极；A1-第一阳极；A2-第二阳极；Y-竖直偏转板；X-水平偏转板 图1-2 示波管结构图 第一阳极也称聚集阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚集”调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚集”，实际是调节第二阳极电位。 (2)偏转系统：它由两对互相垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板，一对水平偏转板。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。 (3)荧光屏：屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。不同材料的荧光粉发光的颜色不同，发光过程的延续时间（一般称为余辉时间）也不同。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板，供测定光点的位置用。在性能较好的示波管中，将刻度线直接刻在荧光屏玻璃内表面上，使之与荧光粉紧贴在一起以消除视差，光点位置可测得更准。2．波形显示原理
信号源基础知识
信号源基础知识 1、认识函数信号发生器 信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。众所周知，数字合成式函数信号源无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟，其锁相环（ PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动(phase Jitter)及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但毕竟是数字式信号源，数字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器。 谈及模拟式函数信号源，结构图如下： 这是通用模拟式函数信号发生器的结构，是以三角波产生电路为基础经二极管所构成的正
弦波整型电路产生正弦波，同时经由比较器的比较产生方波。 而三角波是如何产生的，公式如下： 换句话说，如果以恒流源对电容充电，即可产生正斜率的斜波。同理，右以恒流源将储存在电容上的电荷放电即产生负斜率的斜波，电路结构如下： 当I1 =I2时，即可产生对称的三角波，如果I1 > >I2，此时即产生负斜率的锯齿波，同理I1 < < I2即产生正斜率锯齿波。 再如图二所示，开关SW1的选择即可让充电速度呈倍数改变，也就是改变信号的频率，这也就是信号源面板上频率档的选择开关。同样的同步地改变I1及I2，也可以改变频率，这也就是
信号源上调整频率的电位器，只不过需要简单地将原本是电压信号转成电流而已。 而在占空比调整上的设计有下列两种思路： 1、频率（周期）不变，脉宽改变，其方法如下： 改变电平的幅度，亦即改变方波产生电路比较器的参考幅度，即可达到改变脉宽而频率不变的特性，但其最主要的缺点是占空比一般无法调到20%以下，导致在采样电路实验时，对瞬时信号所采集出来的信号有所变动，如果要将此信号用来作模数（A/D)转换，那么得到的数字信号就发生变动而无所适从。但不容否认的在使用上比较好调。 2、占空比变，频率跟着改变，其方法如下：
选用单端探头还是差分探头 作者:Mike McTigue 新的有源探头体系结构使GHz级以上的千兆信号的完整性测量变得更加容易、精度也更高，但这只对于了解探头的工作原理和探头的两种拓扑结构之间优劣的用户而言的。 宽带宽示波器和有源探头的用户历来可以在单端探头和差分探头之间作出选择。测量单端信号(对地参考电压)，你使用的是单端探头，而测量差分信号(正电压对负电压)，你使用的是差分探头。那么，为什么你不能只买差分探头来测量差分信号和单端信号呢？实际情况是，你可以这样做，但又存在实实在在的理由使你不能这么做。与单端探头相比，差分探头价格较贵，使用不大方便，带宽也较窄。 新的探头体系结构，如Agilent 113X 系列的体系结构可以探测差分信号，也可以探测单端信号，而且基本上使人们不反对使用差分探头。这些探头是通过可互换的端头来提供这种能力的，而各种可互换的头经过优化，可以点测、插入插座和焊入探头。这种结构给有源探头的用户提出了新问题：测量单端信号，到底该用差分探头还是该用单端探头？答案是应由性能和可用性两个方面的权衡结果来定夺。 只要使用Agilent 1134A型7 GHz 探头放大器的简化模型(图1) 和已测数据以及焊入的差分和单端探头端头(图2)，你就可以比较它们的带宽、保真度、可用性、共模抑制特性、可重复性和尺寸大小等方面的差别。这些探头端头的物理连线几何形状相同，所以它们之间的主要性能差别是由差分拓扑结构和单端拓扑结构引起的。探头性能测量是采用Agilent E2655A 纠偏/性能验证夹具和Agilent 8720A 20 GHz 向量网络分析仪或者Agilent Infiniium DCA (数字通信分析仪)采样示波器进行的。 图1 差分探头和单端探头的简化模型的主要区别在于，差分探头的地线电感是与放大器输入端串联的，而不
High-voltage Differential Probes P5200A?P5202A?P5205A?P5210A Data Sheet Features&Bene?ts Bandwidths up to100MHz Up to5,600V Differential(DC+pk AC) Up to2,300V Common(RMS) Overrange Indicator Safety Certi?ed Switchable Attenuation Switchable Bandwidth Limit Applications Floating Measurements Switching Power Supply Design Motor Drive Design Electronic Ballast Design CRT Display Design Power Converter Design and Service Power Device Evaluation The P5200A can be used with any oscilloscope and enables users to safely make measurements of?oating circuits with their oscilloscope grounded.The P5200A Active Differential Probe converts?oating signals to low-voltage ground-referenced signals that can be displayed safely and easily on any ground-referenced oscilloscope. WARNING:For safe operation,do not use the P5200A High-voltage Differential Probe with oscilloscopes that have?oating inputs(isolated inputs),such as the Tektronix TPS2000Series oscilloscopes.The P5200A High-voltage Differential Probe requires an oscilloscope or other measurement instrument with grounded inputs. The P5210A is a Differential Probe that is capable of measuring?oating voltages up to5,600V safely and has a bandwidth up to50MHz.It is supplied with two sizes of hook tips and has an overrange visual and audible indicator which warns the user when they are exceeding the linear range of the probe.It can be used with Tektronix TEKPROBE?interface oscilloscopes directly or with any oscilloscope with the use of the1103 TEKPROBE?Power Supply. The P5205A is a100MHz Active Differential Probe capable of measuring fast rise times of signals in?oating circuits.This1,300V differential probe can safely measure voltages in IGBT circuits such as motor drives or power converters.It is speci?cally designed to operate on Tektronix oscilloscopes with TEKPROBE?interface.The P5202A is similar to the P5205A,but this probe has approximately half the attenuation and half the dynamic range of the P5205A and better signal-to-noise ratio.
课题研究报告 示波器探头补偿 学院：信息工程学院班级：电子 10-1 班姓名：学号：201010203008 201010203009 201010203012 完成时间：2011年12月26日
示波器探头补偿 ——讨论探头中串联的RC并联电路参数对测量结果的影响 课题背景 示波器探头不仅仅是把待测信号引入示波器输入端的一端导线，而且是测量系统的的重要组成部分。探头有很多种类型，以适应各种不同的专门工作需要。其中一类为有源探头，探头内包含有源电子元件，具有放大能力；不含有源原件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件如电阻和电容。这种探头通常对输入信号进行衰减。为了有效抑制外界干扰信号，示波器探头通过屏蔽电缆与示波器输入连接，如图所示 当被测信号频率很高时，上图中与探头相连的屏蔽电缆的电容就不能忽略，探头的容性负载效应就非常明显，有可能导致探头在高频下无法使用。为此，可以在探头中增加一个和示波器输入端电路模型相串联的ＲＣ并联电路，以减小探头的容性负载效应，如下图所示，其中Ｃｉ为探头电缆的电容和示波器输入电路模型中电容合并后的等效电容。Rcmp和Ccmp分别为补偿电阻和补偿电容。
通过课题背景，我们知道在使用示波器时，当被测信号频率很高时，，探头的容性负载效应就会明显，导致探头在高频下无法使用。所以在探头中增加一个串联的ＲＣ并联电路，来减小探头的容性负载效应。 结合所学知识，电容具有通高频阻低频的性质，当低频信号通过时，电容对其阻碍作用非常明显，探头的负载主要是阻抗作用，所以容性负载效应不明显。当电路通有高频信号时，探头的负载主要是容抗作用，从而电路中容性负载效应很大，致使被测电路的信号发生变化，所以就不能准确地进行波形测量。为了减轻探头对被测电路的负载作用，应选择高阻抗、低容抗的探头。 当通有高频信号时，我们需要对其进行衰减，使得电路中容性负载效应减小，保证测量结果的准确性。 为此我们有了如下研究想法：示波器探头补偿电路可以简化为一个简单的RC串并联电路，用一标准示波器对电路信号进行检测，因为任何的不平衡将会带来波形的失真，通过改变ＲＣ电路的相关参数来观察波形的变化，从而来确定ＲＣ的哪些参数对测量结果的影响。再结合一阶电路时域分析中电路的零状态响应和全响应方面的知识，进行理论上的具体分析。
示波器探头基础系列之差分探头 引言 作为一名专业的硬件设计及测试工程师，我们每天都在使用各种不同的数字示波器进行相关电气信号量的量测。与这些示波器相配的探头种类也非常多，包括无源探头（包括高压探头，传输线探头）、有源探头（包括有源单端探头、有源差分探头等），电流探头、光探头等。每种探头各有其优缺点，因而各有其适用的场合。其中，有源探头因具有带宽高，输入电容小，地环路小等优点从而被广泛使用在高速数字量测领域，但有源探头的价位高，动态范围小，静电敏感，校准麻烦，因此，每个工程师使用示波器的入门级探头通常是无源探头。最常见的500Mhz的无源电压探头适用于一般的电路测量和快速诊断，可以满足大多数的低速数字信号、TV、电源和其它的一些典型的示波器应用。 1、差分测量特点 探头从总体上可分为无源探头和有源探头两大类型，而宽带宽示波器和有源探头的用户还需要在单端探头和差分探头之间还要做出选择。承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。本文主要讲的是分差探头。差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面： 1.抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被最大程度抵消。 2.能有效抑制EMI，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。 3.时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS就是指这种小振幅差分信号技术。
示波器基础（一）——示波器基础知识之一1．1 说明和功能 我们可以把示波器简单地看成是具有图形显示的电压表。 普通的电压表是在其度盘上移动的指针或者数字显示来给出信号电压的测量读数。而示波器则与共不同。示波器具有屏幕，它能在屏幕上以图形的方式显示信号电压随时间的变化，即波形。 示波器和电压表之间的主要区别是： 1.电压表可以给出祥测信号的数值，这通常是有效值即RMS值。但是电压表不能给出有关信号形状的信息。有的电压表也能测量信号的峰值电压和频率。然而，示波器则能以图形的方式显示信号随时间变化的历史情况。 2.电压表通常只能对一个信号进行测量，而示波器则能同时显示两个或多个信号。 显示系统 示波器的显示器件是阴极射线管，缩写为CRT，见图1。阴极射线管的基础是一个能产生电子的系统，称为电子枪。电子枪向屏幕发射电子。电子枪发射的电子经聚焦形成电子束，并打在屏幕中心的一点上。屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就发出光来。
图1 阴极射线管图 电子在从电子枪到屏幕的途中要经过偏转系统。在偏转系统上施加电压就可以使光点在屏幕上移动。偏转系统由水平（X）偏转板和垂直（Y）偏转板组成。这种偏转方式称为静电偏转。 在屏幕的内表面用刻划或腐蚀的方法作出许多水平和垂直的直线形成网络，称为标尺。标尺通常在垂直方向有8个，水平方向有10个，每个格为1cm。有的标尺线又进一步分成小格，并且还有标明0％和100％的特别线。这些特别的线和标明10％和90％的标尺配合使用以进行上升时间的测量。我们后面会讨论这个问题。 如上所述，受到电子轰击后，CRT上的荧光物质就会发光。当电子束移开后，荧光物质在一个短的时间内还会继续发光。这个时间称为余辉时间。余辉时间的长短随荧光物质的不同而变化。最常用的荧光物质是P31，其余辉时间小于一毫秒(ms).而荧光物质P7的余辉时间则较长，约为300ms，这对于观察较慢的信号非常有用。P31材料发射绿光，而P7材料发光的颜色为黄绿色。 将输入信号加到Y轴偏转板上，而示波器自己使电子束沿X轴方向扫描。这样就使得光点在屏幕上描绘出输入信号的波形。这样扫出的信号波形称为波形轨迹。 影响屏幕的控制机构有：
示波器探头基础系列之五 ——示波器探头使用指南 美国力科公司 概述： 本文旨在帮助读者对常用的示波器探头建立一个基本认识。此外，我们通过一系列的例子说明探头的不正确使用如何影响测量的结果。 理解探测问题 注意!连接示波器和待测物会给被测波形带来失真。 示波器上应该贴上上面类似的警告标签吗？或许是的。示波器同其它测量仪器一样，受制于各种测量问题——显然，示波器和待测物的连接会影响到测量，使用者理解这样的影响是非常重要的。随着示波器技术的发展，连接示波器和待测物的工具和技术已经变得非常成熟。 早期的示波器，测量带宽只有几百KHz数量级，常使用电缆连接电路。现代示波器使用各种连接技术以最小化测量误差。使用者应该熟悉示波器本身以及示波器连接电路的各种方法的特性和限制。 考虑示波器连接待测电路的方式如何影响测量，待测电路可以等效为包含内置电阻和电容的戴维宁等效电压源。同样，示波器输入电路和连接部分可以被等效为负载电阻和旁路电容。该模型如图1所示。当示波器连接信号源时，示波器的负载效应会减小测量到的电压。低频的损耗取决于电阻比率Rs和Ro。对于高频时的损耗，Cs和Co成了主要因素。另外一个影响是系统带宽由于示波器的容性负载而变小，这也会影响到动态时间量的测量，如脉冲上升时间Risetime。 图1 包括信号源和示波器的简单测量模型 示波器的设计者需要从两个方面入手来减少负载效应的影响: a．高阻探头，利用有源和无源电路来减少负载效应，这些电路包括补偿衰减器或者低容值场效应晶体管缓冲放大器。 b．对于高频应用的直接连接，示波器的输入电路采用50ohm的内部端接。在这些场合，示波器输入电路被设计成常数的50ohm负载阻抗。低电容的探头被设计为50ohm端接来减少负载效应。 如何选择合适的探头 通常，探头可以被分成三大类。1、无源高阻探头；2、无源低阻探头；3、有源探头。
信号源基础知识 1、认识函数信号发生器 信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。众所周知，数字合成式函数信号源无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟，其锁相环（ PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动(phase Jitter)及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但毕竟是数字式信号源，数字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器。 谈及模拟式函数信号源，结构图如下： 这是通用模拟式函数信号发生器的结构，[是以三角波产生电路为基础经二极管所构成的正弦波整型电路产生正弦波，同时经由比较器的比较产生方波]。 而三角波是如何产生的，公式如下： 换句话说，如果以恒流源对电容充电，即可产生正斜率的斜波。同理，右以恒流源将储存在电容上的电荷放电即产生负斜率的斜波，电路结构如下： 当I1 =I2时，即可产生对称的三角波，如果I1 > >I2，此时即产生负斜率的锯齿波，同理I1 < < I2即产生正斜率锯齿波。 再如图二所示，开关SW1的选择即可让充电速度呈倍数改变，也就是改变信号的频率，这也就是信号源面板上频率档的选择开关。同样的同步地改变I1及I2，也可以改变频率，这也就是信号源上调整频率的电位器，只不过需要简单地将原本是电压信号转成电流而已。 而在占空比调整上的设计有下列两种思路：
1、频率（周期）不变，脉宽改变，其方法如下： [改变电平的幅度，亦即改变方波产生电路比较器的参考幅度，即可达到改变脉宽而频率不变的特性]，但其最主要的缺点是占空 比一般无法调到20%以下，导致在采样电路实验时，对瞬时信号所采集出来的信号有所变动，如果要将此信号用来作模数（A/D)转换，那么得到的数字信号就发生变动而无所适从。但不容否认的在使用上比较好调。 2、占空比变，频率跟着改变，其方法如下： 将方波产生电路比较器的参考幅度予以固定（正、负可利用电路予以切换），改变充放电斜率，即可达成。 这种方式的设计一般使用者的反应是“难调”，这是大缺点，但它可以产生10%以下的占空比却是在采样时的必备条件。 以上的两种占空比调整电路设计思路，各有优缺点，当然连带的也影响到是否能产生“像样的”锯齿波。 接下来PA（功率放大器）的设计。首先是利用运算放大器（OP) ，再利用推拉式(push-pull)放大器（注意交越失真Cross-distortion 的预防）将信号送到衰减网路，这部分牵涉到信号源输出信号的指标，包含信噪比、方波上升时间及信号源的频率响应，好的信号源当然是正弦波信噪比高、方波上升时间快、三角波线性度要好、同时伏频特性也要好，（也即频率上升，信号不能衰减或不能减太大），这部分电路较为复杂，尤其在高频时除利用电容作频率补偿外，也牵涉到PC板的布线方式，一不小心，极易引起振荡，想设计这部分电路，除原有的模拟理论基础外尚需具备实际的经验，“Try Error”的耐心是不可缺少的。 PA信号出来后，经过π型的电阻式衰减网路，分别衰减10倍（20dB)或100倍（40dB),此时一部基本的函数波形发生器即已完成。（注意：选用π型衰减网络而不是分压电路是要让输出阻抗保持一定）。 一台功能较强的函数波形发生器，还有扫频、VCG、TTL、 TRIG、 GATE及频率计等功能，其设计方式在此也顺便一提： 1. 扫频：一般分成线性（Lin)及对数（Log)扫频； 2. VCG：即一般的FM，输入一音频信号，即可与信号源本身的信号产生频率调制； 上述两项设计方式，第1项要先产生锯齿波及对数波信号，并与第2项的输入信号经过多路器（Multiplexer)选择，然后再经过电压对电流转换电路，同步地去加到图二中的I1、I2上； 但注意这样的TTL信号须再经过缓冲门（buffer)后才能输出，以增加扇出数（Fan Out)，通常有时还并联几个buffer。而TTL INV 则只要加个NOT Gate即可；
示波器差分探头与差分探头的详细介绍与选择方法 新的有源探头体系结构使GHz级以上的千兆信号的完整性测量变得更加容易、精度也更高，但这只对于了解探头的工作原理和探头的两种拓扑结构之间优劣的用户而言的。 宽带宽示波器和有源探头的用户历来可以在单端探头和差分探头之间作出选择。测量单端信号(对地参考电压)，你使用的是单端探头，而测量差分信号 (正电压对负电压)，你使用的是差分探头。那么，为什么你不能只买差分探头来测量差分信号和单端信号呢？实际情况是，你可以这样做，但又存在实实在在的理由使你不能这么做。与单端探头相比，差分探头价格较贵，使用不大方便，带宽也较窄。 新的探头体系结构，如 Agilent 113X 系列的体系结构可以探测差分信号，也可以探测单端信号，而且基本上使人们不反对使用差分探头。这些探头是通过可互换的端头来提供这种能力的，而各种可互换的头经过优化，可以点测、插入插座和焊入探头。这种结构给有源探头的用户提出了新问题：测量单端信号，到底该用差分探头还是该用单端探头？答案是应由性能和可用性两个方面的权衡结果来定夺。 只要使用Agilent 1134A型 7 GHz 探头放大器的简化模型 (图1) 和已测数据以及焊入的差分和单端探头端头 (图 2)，你就可以比较它们的带宽、保真度、可用性、共模抑制特性、可重复性和尺寸大小等方面的差别。这些探头端头的物理连线几何形状相同，所以它们之间的主要性能差别是由差分拓扑结构和单端拓扑结构引起的。探头性能测量是采用 Agilent E2655A 纠偏/性能验证夹具和 Agilent 8720A 20 GHz 向量网络分析仪或者 Agilent Infiniium DCA (数字通信分析仪)采样示波器进行的。
示波器的触发功能 汪进进美国力科公司深圳代表处 我记得初入力科的时候，在关于示波器的三天基础知识培训中有一整天的时间都是在练习触发功能。“触发”似乎是初学者学习示波器的难点。我们常帮工程师现场解决关于触发 的测试问题的案例也很多。通常有些工程师只知道“Auto Setup”之后看到屏幕上有波形然后“Stop”下来再展开波形左右移动查看细节。因此，我有时候甚至接到这样的电话，质疑我们的示波器有问题，因为他在”Auto Setup”之后看到的波形总是在屏幕上来回“晃动”。但是当我问他触发源设置得对不对，触发电平设置得合适否，是否采用了合适的触发方式等问题时，我没有得到答案; 即使有时遇到我心目中的高手，我也常发现他们对触发的基本概念都没有建立起来。我喜欢在写作某个主题之前google一下，但是很遗憾我没有找到一篇堪称完整的启蒙文章。虽然三家示波器厂家的PPT讲稿中都有很多关于触发的，但细致介绍触发的 中文文章真的很少。当然，这也是幸运的，因为我的拙文也许将是很多工程师茅塞顿开的启蒙之作。 触发是数字示波器区别于模拟示波器的最大特征之一。数字示波器的触发功能非常地丰富，通过触发设置使用户可以看到触发前的信号也可以看到触发后的信号。对于高速信号的分析，其实很少去谈触发，因为通常是捕获很长时间的波形然后做眼图和抖动分析。触发可能对于低速信号的测量应用得频繁些，因为低速信号通常会遇到很怪异的信号需要通过触发来隔离。假如示波器的触发电路坏了，示波器仍然可以工作，只是这时候看到的波形在屏幕上来回“晃动”，或者说在屏幕上闪啊闪的。这其实相当于您将触发模式设置为“Auto”状态并把触发电平设置得超过信号的最大或最小幅值。示波器的采集存储器是一个循环缓存，新的数据会不断覆盖老的数据，直到采集过程结束。如图一所示。没有触发电路，这些采集的数据不断地这样新老交替，在屏幕上视觉上感觉波形在来回“晃动”。Auto Setup是自动触发设置，示波器根据被测信号的特点自动设置示波器的水平时基，垂直灵敏，偏置和触发条件，使得波形能显示在示波器上。其主要目的是保证波形能显示出来，这对于拿到示波器不知道如何使波形“出来”的新手是有用的。但如果不理解触发的概念，通过Auto Setup的设置就开始观察，测量甚至得出结论是不对的。示波器毕竟是工程师的眼睛，工程师需要透彻掌握这个工具，用好这双眼睛。 所谓触发，按专业上的解释是：按照需求设置一定的触发条件，当波形流中的某一个波形满足这一条件时，示波器即实时捕获该波形和其相邻部分，并显示在屏幕上。触发条件的唯一
ZLG致远电子高压差分探头 很多工程师在使用高压差分探头测电源高压信号的时候，经常出现测不准，或者测出来的数据不同时刻变化很大，或者测量中发生危险的现象，这是为什么呢？很多时候我们只把测量当成测量，往往忽略了测量过程当中的很多细节，本期就教你使用高压差分探头测量时应该注意哪些细节。 一、测量高压电源的方法： 1、浮地测量法：这是一种既不安全又不准确的方法，因为浮地后示波器与大地的寄生电容 会使信号发生振铃现象，导致信号失真。 图1 浮地测量 2、AB伪差分法：使用两个普通无源探头分别测量两端的电压，之后两者相减得到两点的信 号差。这种方法安全但是不准确，因为这种方法的共模抑制比会很差，导致测量不准确。 图2 AB伪差分法 3、高压差分探头测量法：这是一种既安全又准确的方法。 当测量高压信号时，高压差分探头具有一定的隔离作用，可直接测量高压信号，如测量电网的输入，无需隔离被测电路或示波器，如下图3所示，若换成普通无源探头是十分危险的。 当测量差分信号时，建议使用高压差分探头，因为差分信号是不共地的，比如CAN信号，而若使用两个普通的探头会发生短路现象。
图3高压差分探头测量法 二、高压差分探头介绍 以ZP1050D高压差分探头为例，其主要的配件包括高压差分探头主体、电源适配器、红黑鳄鱼夹、红黑探钩。 图4 高压差分探头及其配件 三、高压差分探头使用注意事项 使用ZDS2024 Plus示波器与ZP1000D系列高压差分探头测量220V（峰峰值为620V左右）电源模块电压，以下为主要的注意事项： 1、测量前要了解所测的电源的电压峰值有多大，是否超过探头的最大量程范围，如图5所 示。
示波器基础知识 示波器是一种图形显示设备，它描绘电信号的波形曲线。这一简单的波形能够说明信号的许多特性：信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电路中“变化部分”信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、是否存在故障部件使信号产生失真、信号的直流成份（DC）和交流成份（AC）、信号的噪声值和噪声随时间变化的情况、比较多个波形信号等。 １、示波器的发展过程 初期主要为模拟示波器 廿世纪四十年代是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，泰克成功开发带宽10MHz的同步示波器，这是近代示波器的基础。五十年代半导体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到10 0MHz。六十年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽6GHz的取样示波器、带宽4GHz的行波示波管、1GHz的存储示波管；便携式、插件式示波器成为系列产品。七十年代模拟式电子示波器达到高峰，行谱系列非常完整，带宽1GHz的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器，英国和法国甚至退出示波器市场，技术以美国领先，中低档产品由日本生产。 模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和预前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器逐渐从前台退到后台。
但是在发展初期模拟示波器的某些特点，却是数字示波器所不具备的： ○操作简单：全部操作都在面板上可以找到，波形反应及时，数字示波器往往要较长处理时间。 ○垂直分辨率高：连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有8位至1 0位。 ○数据更新快：每秒捕捉几十万个波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。 ○实时带宽和实时显示：连续波形与单次波形的带宽相同，数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形。 简而言之，模拟示波器为工程技术人员提供眼见为实的波形，在规定的带宽内可非常放心进行测试。人类五官中眼睛视觉神经十分灵敏，屏幕波形瞬间反映至大脑作出判断，细微变化都可感知。因此，刚开始模拟示波器深受使用者的欢迎。 中期数字示波器独领风骚 八十年代的数字示波器处在转型阶段，还有不少地方要改进，美国的TEK 公司和HP公司都对数字示波器的发展作出贡献。它们后来停产模拟示波器，并且只生产性能好的数字示波器。进入九十年代，数字示波器除了提高带宽到1G Hz以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。出现所谓数字示波器模拟化的现象，换句话说，尽量吸收模拟示波器的优点，使数字示波器更好用。 数字示波器首先在取样率上提高，从最初取样率等于两倍带宽，提高至五倍甚至十倍，相应对正弦波取样引入的失真也从100%降低至3%甚至1%。带宽1 GHz的取样率就是5GHz/s，甚至10GHz/s。 其次，提高数字示波器的更新率，达到模拟示波器相同水平，最高可达每秒40万个波形，使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强。
ABCs of Probes P rimer
ABCs of Probes Primer Precision Measurements Start at the Probe Tip As you'll learn in this primer,precision measurements start at the probe tip.The right probes matched to your oscilloscope are vital to achieving the greatest signal fidelity and measurement accuracy. Safety Summary When making measurements on electrical or electronic systems or circuitry,personal safety is of paramount importance.Be sure that you understand the capabilities and limitations of the measuring equipment that you’re using.Also,before making any measurements,become thoroughly familiar with the system or circuitry that you will be measuring.Review all documentation and schematics for the system being measured,paying particular attention to the levels and locations of voltages in the circuit and heeding any and all cautionary notations. Additionally,be sure to review the following safety precautions to avoid personal injury and to prevent damage to the measuring equipment or the systems to which it is attached.For additional explanation of any of the following precautions,please refer to Safety Precautions .— Observe All Terminal Ratings — Use Proper Grounding Procedures — Connect and Disconnect Probes Properly — Avoid Exposed Circuitry — Avoid RF Burns While Handling Probes — Do Not Operate Without Covers — Do Not Operate in Wet/Damp Conditions — Do Not Operate in an Explosive Atmosphere — Do Not Operate with Suspected Failures — Keep Probe Surfaces Clean and Dry — Do Not Immerse Probes in Liquids 2 To select the right probe for your specific application, please request the probe selection CD from your local Tektronix representative,or visit https://www.doczj.com/doc/dc6245015.html,/accessories. Our continually expanding library of technical briefs,application notes and other resources will help ensure you get the most out of your probes and other equipment.Simply contact your local Tektronix representative or visit https://www.doczj.com/doc/dc6245015.html,.