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示波器输入过压保护指南

作者： Art Pini 2022-04-04

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在任何工程实验室或测试部门走一圈，你会发现输入连接上用细绳挂着写有“NG”、“intermittent”或“break”等文字的小标牌。这些幽灵般的东西很可能是示波器。示波器使用最广泛使用的电子测量仪器之一。除了无处不在之外，示波器通常价格不菲，每千兆赫 (GHz) 带宽的成本约为 10,000 至 12,000 美元。考虑到示波器的价格如此高昂，工程师和技术人员应该了解保护这类设备输入的最佳方法，扔掉那些用细绳悬挂的小标签。

我们来考虑一台同时提供 50 Ω 和 1 MΩ 输入的 1 GHz 示波器。其中，50 Ω 输入的电压灵敏度从每格 1 毫伏 (mV) (mV/div) 到每格 1 伏 (V/div)。其 1 MΩ 输入时的灵敏度为 1 mV/div 至 10 V/div。

50 Ω 输入保护

50 Ω 输入的最大电压输入为 5 Vrms，这是由内部端子的额定功率设定的。将 5 V rms 施加到一个 50Ω 电阻上的功率耗散为 0.5 W（电流 (I) =V/R=5 V /50 Ω = 0.1 A；功率 = V × I =5 × 0.1 = 0.5 W）。

测量高于 5 V 的电压时该怎么办呢？这种情况下只需使用一个直插式衰减器，如 Crystek Corparation 的 CATTEN-03R0-BNC（图1）。

图 1：直插式衰减器增加了示波器和频谱分析仪 50 Ω 输入的功率处理能力。（图片来源：Crystek Corporation）

衰减器会在不使信号失真的情况下降低该信号的功率水平。同轴直插版本具有固定衰减，并提供大量采用各种插头和插孔配置的连接器类型。

CATTEN-03R0-BNC 是一款 3 dB、50 Ω、BNC 衰减器，其带宽从 0 到 1GHz，额定功率为 2 W。该器件属于 Crystek 产品系列，衰减范围为 1 至 20 dB。由于衰减器的最大输入电压受其额定功率的限制，因此使用 3dB 衰减器将使示波器的最大输入电压增大到 7 V。

对于带宽大于 1GHz 的示波器，可以使用 2.92 mm 直插式衰减器，如 Amphenol SV Microwave 的 SF0915-6200-03。这是一款 3 dB、50 Ω 衰减器，带宽为 0 至 40 GHz。

可以使用大多数示波器上的输入扩展功能来保持该示波器的校准。对于 3 dB 衰减器来说，可使用乘积因子 0.707 进行输入调节。这种衰减器的精度通常优于 1 dB。

1 MΩ 输入保护

对于输入频率小于或等于 10 kHz 的 1 MΩ 输入，其典型的最大额定电压为 400 V（直流 + 峰值交流）。虽然示波器在这个规格下相当坚固耐用，但仍可能会受到雷电或其他电磁干扰 (EMI) 现象引起的高振幅电压瞬时损坏。

对于 1 MΩ 输入，可以使用如火花间隙、气体放电管或二极管等浪涌保护器。这些器件会在浪涌电流造成损害之前击穿，然后通过放电将浪涌引入地下。

Amphenol Times Microwave Systems 的 LP-GTR-NFF 的 LP-GTR-NFF 是一款 N 型连接器直插式电涌保护器。该器件使用了一个可更换气体放电管。该器件在直流电压超过 ±90 V/20 A 时击穿，并且能够处理高达 50 W 的浪涌。该器件为直插式，带宽为直流到 3 GHz，插损为 0.1dB（最高 1 GHz）、0.2dB（最高为 0.2 dB）（图 2）。

图 2：LP-GTR-NFF 浪涌保护器使用可更换气体放电管来保护同轴线路免受高达 50 W 的瞬时浪涌影响。（图片来源：Amphenol Times Microwave Systems）

浪涌保护器一般情况下与仪器输入端串联，且对于通过较长的数据通信或电源线连接的仪器来说通常需要使用浪涌保护器，因为这种线路可能会出现大的瞬态电压。

消除直流偏压

对于诸如测量直流电源总线上的纹波等测量应用来说，需要通过直流模块来消除直流偏压，从而可以使用更灵敏的垂直刻度。DC 模块是一种同轴适配器，使用串联电容器通过高频信号。

DC 模块具有特定的特征阻抗，通常为 50 或者 75 Ω。Crystek Corporation 的 CBLK-300-3 是一款 50 Ω 内导体直流模块，可以通过频率为 300kHz 到 3GHz 的信号，同时阻断高达 16 V 的直流电平（图 3）。该器件的特点是在其工作频率范围内具有较低的插入损耗和回波损耗。

图 3：Crystek CBLK-300-3 可阻断高达 16 V 的直流电压，并通过频率为 300 kHz 至 3 kMHz 的信号。（图片来源：Crystek Corporation，经作者修改）

总结

示波器是设计师最好的朋友，只需稍加呵护就会成为一直陪伴您的设备。前面提到的工具有助于确保这种情况不会发生，它们能够降低仪器输入端的最高电压，从而将那些用细绳悬挂的小标牌扔进抽屉里。

关于此作者

Arthur (Art) Pini 是 DigiKey 的特约作者。他拥有纽约城市学院的电气工程学士学位和纽约城市大学的电气工程硕士学位。Art 在电子领域拥有超过 50 年的经验，曾在 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek 和 Nicolet Scientific 担任重要工程和营销职位。Art 对测量技术很感兴趣，在示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、数字化仪和功率计方面有着丰富的经验。