从探头到传感器：德思特数字化仪的全面结合与应用

电压探头可以用于转换信号电平、改变阻抗或提供更方便的连接方法。而包括电流探头、加速度计和光电倍增管在内的传感器或变送器，则可以将各种物理量转换为电信号。这两种输入设备都受到德思特数字化仪的支持。这篇应用笔记将介绍如何将德思特板卡式数字化仪和探头、传感器结合使用。

一、关于探头

TS数字化仪的输入端对大多数被动式（无源）示波器探头都兼容；但是，您必须注意探头会如何影响您正在测试的电路，以及如何正确缩放经过探头采集到的电压数据。本应用笔记的前半部分将介绍探头，包括它们的工作原理以及它们如何影响测量。

1.直连式探头

让我们首先思考一下，如果你使用同轴电缆将数字化仪的1MΩ输入端直接接到待测点，如图1所示，会发生什么。

图1：使用同轴线缆进行直接连接的简化等效电路

此时，数字化仪的的输入电容约为35 pF。而同轴电缆本身的电容范围每30 cm长度大概为10~30 pF。我们假设电路中的总电容为95 pF，此时，我们来计算在10MHz下95pF电容的电容性阻抗（Xc）：

代入f=10MHz、C=95pF的结果是168Ω的阻抗，这会显著衰减我们想要测量的电压信号。因此，如果简单使用待屏蔽电缆将数字化仪连接到待测设备，实际上会将这个电容的影响添加到电路中。

2.高阻抗被动式探头

高阻抗被动式探头使用了一个电容补偿分压器，这通常会有一个10:1的缩小比（缩小到10分之1）。这样的补偿分压器将导致最小输入电容降低为10pF，外加10倍的衰减。再进一步，我们会发现，探头的负载电阻也增加到大约10倍，如图2所示。

图2：一个10:1高阻抗无源探头的简化电路图

通过增加探头的衰减，还可以进一步减少整体输入电容，但这又会减小进入数字化仪的信号幅值，使得对信号精确测量的难度增加。在一般实践中，10:1的衰减比通常就是信号幅值和负载阻抗之间的良好折衷。

这种类型的探头可以具有高达500MHz的带宽。然而，这种已经较低电容值，对于更高的频率来说也可能太大。比如在500MHz下，10pF的探头电容对应阻抗约为32Ω，这将一定程度拉低除低阻抗输出电路以外的电压信号。当然，在较低频率下，这个问题不大。

不要忘记，这种探头会将输入电压水平降低到1/10，这在数字化仪读数时必须加以考虑。这将在本文后面进行讨论。

3.传输线（低电容）探头

如前所述，高频测量需要输入电容非常低的探头。通过将同轴电缆视为传输线，可以极大地降低输入电容。如果数字化仪的输入电阻设为50Ω阻抗模式，那么电缆输入端的阻抗在所有频率下都是恒定的50Ω，此时的输入电容小到可以忽略。同样，这个非常低的负载阻抗可以使用电压分压器增加；一个450Ω的串联电阻可以将测量端幅值降低到1/10，并得到一个相对恒定的500Ω负载阻抗。如图3画出了一个低电容线缆或传输线探头，数字化仪中设置为50Ω阻抗模式。

图3：一个10:1传输线探头以及模拟输入设置为50Ω阻抗模式的数字化仪组成的电路

这种传输线探头的输入电容通常非常低，通常只有几分之一皮法。这种探头的限制因素通常是较低的输入电阻。即使对于一个10x探头，其输入电阻也只有500Ω，这可能会导致信号输出电路负载过重，从而影响信号质量。这类探头通常应用于高频领域中，高频领域的电路会按50Ω阻抗标准设计。

4.如果选择无源探头

对于高阻无源探头，有多种衰减比例可选，其中10:1和100:1的衰减比是较为常见的。配合1MΩ输入阻抗的数字化仪工作时，它们分别提供10MΩ和100MΩ的输入电阻。具有14~16位分辨率的数字化仪与100:1探头能很好地匹配，因为它们具有足够的动态范围和精度来测量探头衰减后的微小信号。

探头必须与数字化仪的输入电容相匹配。对于具有35pF输入电容的数字化仪通道，您需要选择补偿电容范围能覆盖该电容值的探头。

大多数高阻抗无源探头使用BNC连接器。如果数字化仪也使用BNC接口输入，那就可以直接连接使用了。但由于BNC连接器需要占用大量的空间，而板卡式数字化仪的面板空间通常很小，在这种情况您很可能需要使用额外的转接器。例如，数字化仪使用SMA连接器时，您就会需要SMA到BNC转换器来配合使用。

传输线探头工作需要匹配数字化仪的50Ω输入阻抗模式。由于传输线探头通常支持GHz级的带宽，因此它们通常使用SMA连接器。

5.有源探头

有源探头中会包含一个由电压分压器驱动的补偿放大器。放大器的缓冲输出则会接到同轴电缆上，电缆的特征阻抗与传输线探头中的电缆特征阻抗相同（50Ω）。在某些探头中，还会包括隔离电路，它会将电缆的容性负载和数字化仪的输入电路隔离开。这些探头通常需要数字化仪或示波器供电并进行控制。如果要将这些探头与数字化仪结合使用，那么您还会需要用到由探头供应商提供的独立电源和控制接口（若有）。

二、使用具有重缩放功能的被动探针的应用示例

当您使用具有非1:1衰减比例的被动探针时，数字化仪的输入端电压水平将被衰减。而您可以通过重新缩放输入水平来补偿这种衰减。如果您使用德思特的SBench 6软件进行控制、获取和分析，这可以很容易地在模拟通道设置中完成，如图4所示。

图4：使用SBench 6软件重新缩放从探针获取到的数据

首先，双击屏幕左侧“模拟输入”列表中连接到探针的通道。在弹出的“设置通道”对话框（如图所示）中，选中“设置自定义单位”复选框，并选择探针衰减比例，在本例中选择的是100:1。此时我们应当注意，现在最大幅度值10V代表的实际被测电压为1000V。

如果您在使用第三方或自定义软件包来控制数字化仪，您可能需要在垂直缩放选项中进行适当的调整。

三、传感器

传感器或变送器会对某种物理属性敏感，并将其转换为与被测量属性值成比例的电压信号。一个常见的例子就是电流探头。它能将电流值转换为电压值，其中电压水平与被测的电流水平成比例。表1提供了一些常见的传感器示例，以及测量的物理属性和单位。

传感器接口

将传感器或变送器与数字化仪匹配需要了解传感器的输出范围、输出阻抗、带宽和灵敏度。首先，传感器的输出范围必须在数字化仪的测量电压范围内，否则需要外加衰减器或放大器来将其带入恰当的范围。

大多数传感器都设计为与特定的阻抗配合使用，而德思特的数字化仪，会提供1MΩ或50Ω两个输入阻抗选项。大多数宽带变送器设计为与50Ω负载阻抗相匹配。而低带宽传感器则可能需要用到1MΩ输入阻抗模式。还有一些特殊变送器可能会设计为与75Ω或600Ω等其他阻抗配合使用。在这种情况下，可能需要用到阻抗匹配转换器，并需要对传感器灵敏度作出适当的调整。

选用的数字化仪型号带宽应显著大于传感器的带宽，以避免降低传感器-数字化仪系统的有效带宽。当数字化仪带宽与传感器带宽的比值大于7:1时，可帮助幅值测量的不确定度控制在小于1%。

灵敏度是传感器电输出给幅值与等效的被测属性之间的比值。例如，加速度计的灵敏度可能设为10mV/g。这意味着对于被测加速度为1g时，变送器会输出一个10mV的电压信号。了解灵敏度对于将数字化仪校准为直接读取被测单位而不是直接电压单位非常重要。

此外，大多数变送器还需要电源供电，这通常和提供给数字化仪的电源相互独立。变送器供应商通常会一并提供电源和相关电子附件。

四、将电流探头和数字化仪配合使用

独立电流探头需要注意其电源和设置的电流测量范围、偏移量和去磁（为探头去磁）的控制。通常电流探头匹配50Ω的终端阻抗。在本例中，我们使用的探头灵敏度为1 mV/mA。因此，数字化仪的±200毫伏满量程范围将对应±200毫安的电流范围。然后我们将数字化仪输入负载设为50Ω阻抗模式，满量程范围限制为±4V。正如我们在前面使用被动探针的示例中所做的那样，双击屏幕左侧“模拟输入”列表中使用电流探头的通道。这将弹出“设置通道”对话框，如图5所示。

图5：使用“设置通道”对话框来缩放电流探头的输出，以读取±4A满量程

选中“设置自定义单位”复选框。幅度（伏）框中填入数字化仪输入范围的最大和最小值，在本例中分别为+4和-4V。然后在“自定义值（基础）”框中输入所需要对应电流范围的最大和最小值，本例中为+4和-4。在“自定义单位（基础）”框中输入单位，本例中为A（安培）。数字化仪就会对这个通道的当前测得值以安培为单位读取。设置框后面的网格垂直刻度也会变成以电流单位（A）为单位。

五、将压力传感器和数字化仪配合使用

压电换能器是一类基于压缩晶体或陶瓷元件产生电压的换能器。压力传感器就是通过直接将力施加到换能器元件上来测量力。常见的加速度计就是将一块已知质量的物体置于压电元件上，利用元件所受的力与加速度成正比的原理，通过压力测出加速度。而压强则通过一个隔膜传递到压点元件上，从而把施加到隔膜上的压强转换为成正比的压力。所有这些压力传感器都需要外部供电，并且大多数都与1MΩ负载阻抗匹配。图6展示了配合压强传感器使用时，数字化仪的缩放配置。

图6：使用SBench 6软件缩放压力传感器的输出，使读取单位变成psi

示例中的压强传感器灵敏度为100 mV/psi。同样在SBench 6中双击通道弹出的通道设置中，选中“设置自定义单位”复选框。如果要以psi为单位读取测量值，则输入最大范围为+10和最小范围为-10，这对应着±1V的输入量程范围。然后请将自定义单位设置为psi，现在垂直刻度将显示为psi的值。如果想要垂直单位为Pa（帕斯卡），而不是psi，那么±1V的输入量程范围则应该对应±68947 Pa的压强范围。同样，我们可以把这个新的范围与自定义单位Pa一起输入到SBench 6的自定义单位设置项中。