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      • 發布於 2024年4月30日
      • 最後修改 2024年4月30日
    • 1 分鐘

    被動式與主動式探棒:性能差異與選擇指南

    本文將從性能指標、應用場景等方面,為您進行全面的選擇指南。

    Oscilloscope Probes Guide Banner

    示波器是電子工程師分析電路波形、調試和故障排查時不可或缺的測試儀器。它能將被測電路中的電壓或電流隨時間變化的波形在顯示器上重現出來,為工程師提供了直觀的信號可視化手段。

    要獲得準確的波形圖像,除了示波器本身的性能外,與之配套使用的探棒也至關重要。探棒是示波器獲取被測信號並將其傳輸至示波器的前級元件,其帶寬、阻抗等參數直接影響著測量的準確性和可靠性。

    根據工作原理,探棒可分為被動式和主動式兩大類。被動式探棒通過無源電阻電容元件對測試信號進行耦合和傳輸;而主動式探棒則在探頭端集成了放大器等有源電路,能實現更寬帶寬和更高輸入阻抗。

    被動式探棒

    被動式探棒是最常見、也是結構最簡單的一類示波器探棒。它不需要任何外部電源,僅通過無源元件如電阻和電容對被測信號進行耦合和傳輸。

    被動式探棒的基本原理是通過電阻電容分壓網絡將被測信號的電壓值適當衰減後輸出。典型的被動高阻探棒將輸入阻抗設置在10MΩ以上,輸出端則匹配示波器的1MΩ輸入阻抗,電阻比達10:1,因此輸出電壓為輸入的1/10。

    這種結構簡單、無需外部電源的優勢,使得被動式探棒價格便宜、體積小巧、使用靈活。同時它也具有較高的耐壓能力,一般可測量直流電源或交流低頻小信號。

    被動式探棒的優勢

    • 結構設計簡單
    • 無需外部電源
    • 價格低廉
    • 體積小巧輕便
    • 電壓耐受能力較強

    被動式探棒的缺點

    • 帶寬較窄,典型在200MHz以下
    • 存在阻抗不匹配和過載等問題
    • 測量高頻、高阻抗電路信號精度降低

    典型應用場景

    • 直流電路和低頻交流電路測量
    • 數字電路和邏輯電路測量
    • 一般電子電路調試和故障排查
    • 教學實驗室使用

    總的來說,被動式探棒結構簡單、價格便宜,適合對帶寬和阻抗要求不是太高的一般電路測量應用場合,是目前使用最為廣泛的一類探棒。

    主動式探棒

    與被動式探棒相比,主動式探棒在探頭端集成了運算放大器等有源電路,從而實現了更寬的帶寬和更高的輸入阻抗特性。

    主動式探棒的工作原理是先將被測信號通過一個極高阻抗的阻性分壓網絡進行適當衰減,然後通過運算放大器對衰減後的信號進行緩衝放大,最後與示波器的50Ω傳輸電纜相匹配輸出。這種設計使主動式探棒的輸入阻抗可高達1GΩ以上,遠高於被動式探棒。同時其頻寬也可以達到數GHz,覆蓋了大部分應用場景的帶寬要求。

    主動式探棒的優勢

    • 極寬的帶寬,一般在500MHz至數GHz
    • 極高的輸入阻抗,大於1GΩ
    • 低載入效應,不會影響被測信號
    • 支持差分輸入,適合測量差動信號

    主動式探棒的缺點

    • 價格昂貴,造價高於被動式探棒數倍甚至十倍以上
    • 需要外部電源,增加了體積和功耗
    • 僅限電壓測量,不適合測量大電流

    典型應用場景

    • 高速數字電路和高頻模擬電路測量
    • 射頻、微波和光電等高頻電路測試
    • 高速串行傳輸系統諸如PCI-E等的信號完整性測試
    • EMI/EMC等領域的干擾測試

    總的來說,主動式探棒的卓越性能使其成為高頻高精度測量的利器,非常適用於高速電路及高頻電子系統的測試和分析應用。目前主流主動探棒帶寬已達數至10GHz。

    被動式與主動式探棒的比較

    經過對被動式和主動式探棒的介紹,我們可以看出兩者在設計理念、性能指標和適用場景上存在明顯差異。本節將就它們的幾個關鍵參數做一對比,以幫助工程師更好地選擇合適的探棒。

    帶寬、阻抗、衰減比對比

    帶寬是反映探棒能測量高頻信號能力的重要指標。被動式探棒的帶寬一般在200MHz以下,而主動式探棒則可達數GHz至10GHz以上,遠高於被動探棒。

    輸入阻抗直接影響探棒的載入效應。被動高阻探棒的輸入阻抗約10MΩ,而主動式探棒則高達1GΩ以上,對被測電路幾乎不產生干擾。

    衰減比描述了探棒輸入與輸出之間的電壓衰減比例,關係到垂直分辨率。被動探棒一般為10:1,而主動式探棒則更靈活,可選擇10:1或1:1等多種比例。

    適用測試信號波形範圍

    被動探棒僅適用於測量低頻小信號,如直流電路、數字邏輯電路和普通模擬電路。而具有極寬帶寬和極高阻抗的主動探棒,則適用於高速數字電路、射頻電路、高速串行電路等高頻高速信號測量。

    針對不同測試需求的最佳選擇建議

    如果只需要測量低頻、大電壓信號,對頻率和阻抗無特殊要求,被動探棒便可勝任,具有經濟實惠的優勢。

    但如果需要測量高頻、高速、高阻抗信號,或者對被測電路的載入影響要求極小,主動式探棒則是不二之選,儘管價格昂貴,但卻能獲得最佳測量精度。

    對於極為特殊的應用場景,如大電流、高壓或差動信號測量,則需要使用專用的電流探棒、高壓探棒或差動探棒。

    工程師需要結合具體測試要求,根據帶寬、阻抗、頻率響應等參數綜合考慮,選擇性價比最優的合適探棒。

    結語

    示波器探棒作為示波器測量系統中不可或缺的重要組成部分,其性能指標直接影響著測量結果的精準度和可靠性。本文全面介紹了被動式和主動式這兩大類主流探棒的工作原理、優缺點、適用場景等,並對它們在帶寬、阻抗、衰減比等關鍵參數上進行了對比分析。

    被動式探棒結構簡單、無需外部電源、價格低廉,適合對帶寬和阻抗要求不高的低頻電路測量。而主動式探棒則擁有極寬的頻帶、極高的輸入阻抗等卓越性能,是高速數字電路、高頻模擬電路以及射頻等領域的不二之選。

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