電壓探頭可以用于轉換信號電平、改變阻抗或提供更方便的連接方法。而包括電流探頭、加速度計和光電倍增管在內的傳感器或變送器，則可以將各種物理量轉換為電信號。這兩種輸入設備都受到德思特數字化儀的支持。這篇應用筆記將介紹如何將德思特板卡式數字化儀和探頭、傳感器結合使用。

一、關于探頭

TS數字化儀的輸入端對大多數被動式（無源）示波器探頭都兼容；但是，您必須注意探頭會如何影響您正在測試的電路，以及如何正確縮放經過探頭采集到的電壓數據。本應用筆記的前半部分將介紹探頭，包括它們的工作原理以及它們如何影響測量。

1.直連式探頭

讓我們首先思考一下，如果你使用同軸電纜將數字化儀的1MΩ輸入端直接接到待測點，如圖1所示，會發生什么。

圖1：使用同軸線纜進行直接連接的簡化等效電路

此時，數字化儀的的輸入電容約為35 pF。而同軸電纜本身的電容范圍每30 cm長度大概為10~30 pF。我們假設電路中的總電容為95 pF，此時，我們來計算在10MHz下95pF電容的電容性阻抗（Xc）：

代入f=10MHz、C=95pF的結果是168Ω的阻抗，這會顯著衰減我們想要測量的電壓信號。因此，如果簡單使用待屏蔽電纜將數字化儀連接到待測設備，實際上會將這個電容的影響添加到電路中。

2.高阻抗被動式探頭

高阻抗被動式探頭使用了一個電容補償分壓器，這通常會有一個10:1的縮小比（縮小到10分之1）。這樣的補償分壓器將導致最小輸入電容降低為10pF，外加10倍的衰減。再進一步，我們會發現，探頭的負載電阻也增加到大約10倍，如圖2所示。

圖2：一個10:1高阻抗無源探頭的簡化電路圖

通過增加探頭的衰減，還可以進一步減少整體輸入電容，但這又會減小進入數字化儀的信號幅值，使得對信號精確測量的難度增加。在一般實踐中，10:1的衰減比通常就是信號幅值和負載阻抗之間的良好折衷。

這種類型的探頭可以具有高達500MHz的帶寬。然而，這種已經較低電容值，對于更高的頻率來說也可能太大。比如在500MHz下，10pF的探頭電容對應阻抗約為32Ω，這將一定程度拉低除低阻抗輸出電路以外的電壓信號。當然，在較低頻率下，這個問題不大。

不要忘記，這種探頭會將輸入電壓水平降低到1/10，這在數字化儀讀數時必須加以考慮。這將在本文后面進行討論。

3.傳輸線（低電容）探頭

如前所述，高頻測量需要輸入電容非常低的探頭。通過將同軸電纜視為傳輸線，可以極大地降低輸入電容。如果數字化儀的輸入電阻設為50Ω阻抗模式，那么電纜輸入端的阻抗在所有頻率下都是恒定的50Ω，此時的輸入電容小到可以忽略。同樣，這個非常低的負載阻抗可以使用電壓分壓器增加；一個450Ω的串聯電阻可以將測量端幅值降低到1/10，并得到一個相對恒定的500Ω負載阻抗。如圖3畫出了一個低電容線纜或傳輸線探頭，數字化儀中設置為50Ω阻抗模式。

圖3：一個10:1傳輸線探頭以及模擬輸入設置為50Ω阻抗模式的數字化儀組成的電路

這種傳輸線探頭的輸入電容通常非常低，通常只有幾分之一皮法。這種探頭的限制因素通常是較低的輸入電阻。即使對于一個10x探頭，其輸入電阻也只有500Ω，這可能會導致信號輸出電路負載過重，從而影響信號質量。這類探頭通常應用于高頻領域中，高頻領域的電路會按50Ω阻抗標準設計。

4.如果選擇無源探頭

對于高阻無源探頭，有多種衰減比例可選，其中10:1和100:1的衰減比是較為常見的。配合1MΩ輸入阻抗的數字化儀工作時，它們分別提供10MΩ和100MΩ的輸入電阻。具有14~16位分辨率的數字化儀與100:1探頭能很好地匹配，因為它們具有足夠的動態范圍和精度來測量探頭衰減后的微小信號。

探頭必須與數字化儀的輸入電容相匹配。對于具有35pF輸入電容的數字化儀通道，您需要選擇補償電容范圍能覆蓋該電容值的探頭。

大多數高阻抗無源探頭使用BNC連接器。如果數字化儀也使用BNC接口輸入，那就可以直接連接使用了。但由于BNC連接器需要占用大量的空間，而板卡式數字化儀的面板空間通常很小，在這種情況您很可能需要使用額外的轉接器。例如，數字化儀使用SMA連接器時，您就會需要SMA到BNC轉換器來配合使用。

傳輸線探頭工作需要匹配數字化儀的50Ω輸入阻抗模式。由于傳輸線探頭通常支持GHz級的帶寬，因此它們通常使用SMA連接器。

5.有源探頭

有源探頭中會包含一個由電壓分壓器驅動的補償放大器。放大器的緩沖輸出則會接到同軸電纜上，電纜的特征阻抗與傳輸線探頭中的電纜特征阻抗相同（50Ω）。在某些探頭中，還會包括隔離電路，它會將電纜的容性負載和數字化儀的輸入電路隔離開。這些探頭通常需要數字化儀或示波器供電并進行控制。如果要將這些探頭與數字化儀結合使用，那么您還會需要用到由探頭供應商提供的獨立電源和控制接口（若有）。

二、使用具有重縮放功能的被動探針的應用示例

當您使用具有非1:1衰減比例的被動探針時，數字化儀的輸入端電壓水平將被衰減。而您可以通過重新縮放輸入水平來補償這種衰減。如果您使用德思特的SBench 6軟件進行控制、獲取和分析，這可以很容易地在模擬通道設置中完成，如圖4所示。

圖4：使用SBench 6軟件重新縮放從探針獲取到的數據

首先，雙擊屏幕左側“模擬輸入”列表中連接到探針的通道。在彈出的“設置通道”對話框（如圖所示）中，選中“設置自定義單位”復選框，并選擇探針衰減比例，在本例中選擇的是100:1。此時我們應當注意，現在最大幅度值10V代表的實際被測電壓為1000V。

如果您在使用第三方或自定義軟件包來控制數字化儀，您可能需要在垂直縮放選項中進行適當的調整。

三、傳感器

傳感器或變送器會對某種物理屬性敏感，并將其轉換為與被測量屬性值成比例的電壓信號。一個常見的例子就是電流探頭。它能將電流值轉換為電壓值，其中電壓水平與被測的電流水平成比例。表1提供了一些常見的傳感器示例，以及測量的物理屬性和單位。

傳感器接口

將傳感器或變送器與數字化儀匹配需要了解傳感器的輸出范圍、輸出阻抗、帶寬和靈敏度。首先，傳感器的輸出范圍必須在數字化儀的測量電壓范圍內，否則需要外加衰減器或放大器來將其帶入恰當的范圍。

大多數傳感器都設計為與特定的阻抗配合使用，而德思特的數字化儀，會提供1MΩ或50Ω兩個輸入阻抗選項。大多數寬帶變送器設計為與50Ω負載阻抗相匹配。而低帶寬傳感器則可能需要用到1MΩ輸入阻抗模式。還有一些特殊變送器可能會設計為與75Ω或600Ω等其他阻抗配合使用。在這種情況下，可能需要用到阻抗匹配轉換器，并需要對傳感器靈敏度作出適當的調整。

選用的數字化儀型號帶寬應顯著大于傳感器的帶寬，以避免降低傳感器-數字化儀系統的有效帶寬。當數字化儀帶寬與傳感器帶寬的比值大于7:1時，可幫助幅值測量的不確定度控制在小于1%。

靈敏度是傳感器電輸出給幅值與等效的被測屬性之間的比值。例如，加速度計的靈敏度可能設為10mV/g。這意味著對于被測加速度為1g時，變送器會輸出一個10mV的電壓信號。了解靈敏度對于將數字化儀校準為直接讀取被測單位而不是直接電壓單位非常重要。

此外，大多數變送器還需要電源供電，這通常和提供給數字化儀的電源相互獨立。變送器供應商通常會一并提供電源和相關電子附件。

四、將電流探頭和數字化儀配合使用

獨立電流探頭需要注意其電源和設置的電流測量范圍、偏移量和去磁（為探頭去磁）的控制。通常電流探頭匹配50Ω的終端阻抗。在本例中，我們使用的探頭靈敏度為1 mV/mA。因此，數字化儀的±200毫伏滿量程范圍將對應±200毫安的電流范圍。然后我們將數字化儀輸入負載設為50Ω阻抗模式，滿量程范圍限制為±4V。正如我們在前面使用被動探針的示例中所做的那樣，雙擊屏幕左側“模擬輸入”列表中使用電流探頭的通道。這將彈出“設置通道”對話框，如圖5所示。

圖5：使用“設置通道”對話框來縮放電流探頭的輸出，以讀取±4A滿量程

選中“設置自定義單位”復選框。幅度（伏）框中填入數字化儀輸入范圍的最大和最小值，在本例中分別為+4和-4V。然后在“自定義值（基礎）”框中輸入所需要對應電流范圍的最大和最小值，本例中為+4和-4。在“自定義單位（基礎）”框中輸入單位，本例中為A（安培）。數字化儀就會對這個通道的當前測得值以安培為單位讀取。設置框后面的網格垂直刻度也會變成以電流單位（A）為單位。

五、將壓力傳感器和數字化儀配合使用

壓電換能器是一類基于壓縮晶體或陶瓷元件產生電壓的換能器。壓力傳感器就是通過直接將力施加到換能器元件上來測量力。常見的加速度計就是將一塊已知質量的物體置于壓電元件上，利用元件所受的力與加速度成正比的原理，通過壓力測出加速度。而壓強則通過一個隔膜傳遞到壓點元件上，從而把施加到隔膜上的壓強轉換為成正比的壓力。所有這些壓力傳感器都需要外部供電，并且大多數都與1MΩ負載阻抗匹配。圖6展示了配合壓強傳感器使用時，數字化儀的縮放配置。

圖6：使用SBench 6軟件縮放壓力傳感器的輸出，使讀取單位變成psi

示例中的壓強傳感器靈敏度為100 mV/psi。同樣在SBench 6中雙擊通道彈出的通道設置中，選中“設置自定義單位”復選框。如果要以psi為單位讀取測量值，則輸入最大范圍為+10和最小范圍為-10，這對應著±1V的輸入量程范圍。然后請將自定義單位設置為psi，現在垂直刻度將顯示為psi的值。如果想要垂直單位為Pa（帕斯卡），而不是psi，那么±1V的輸入量程范圍則應該對應±68947 Pa的壓強范圍。同樣，我們可以把這個新的范圍與自定義單位Pa一起輸入到SBench 6的自定義單位設置項中。

總結

通過適當的縮放設置，示波器探頭和其他傳感器可以與我們的數字化儀結合使用，并且可以按所需的自定義單位直接從軟件界面中讀取數據。

審核編輯 黃宇