高压单端探头是一种无源探头,测量时只需将一端接入被测设备,一端接入被测信号,即可进行测量,器测量方法简单,测量设备轻便,但都是最不值得一提的优点,高压单端探头的核心在于可以在保证信号完整性的前提下,将千伏级高压信号衰减至测量设备所接受的安全电压范围(±5V )。在保证安全的同时准确测量高压信号,是测量高压信号的常用探头,如图1所示。

图1高压单端探头实物图
高压单端探头实现大衰减的核心技术在于电阻分压和电容补偿,本文将从这两个方面展开阐述。其基本原理图如下图所示(此图衰减比为R1/R6):

图2高压单端探头的基本原理图
高压单端探头总体结构主要由前端分压网络、信号传输链路和后端信号适配模块三个部分组成,前端分压网络与被测信号直接相连,这部分的主要结构是选用一个大电阻R1进行分压处理,值得注意的是,大电阻内部存在电容电感等参数,所以我们在后面处理时要注意对大电阻进行阻抗匹配。虽然我们发现使用一个大电阻便可以达到分压的效果,但这往往是不对的,撇开前面提及的阻抗匹配不谈,这样的电路根本测不了高频信号,因为频率越高,电阻的阻抗越大,当输入一个高频信号时,输出的信号将被大幅度衰减(衰减程度大于-3dB),这不满足信号的完整性。所以在后端的分压处理时,需要给大电阻并联一个电容C1,同时我们考虑到大电阻内部存在电容电感、金属外壳也存在寄生电容,为了防止高频信号由于C1容抗减小出现上升趋势,我们需要对C1串联电阻R2进行阻抗匹配,保证高频信号可以平稳完整通过前端电路。
传输线内存在电阻,图2中的R3即为与无损传输线内的电阻进行阻抗匹配。
后端电路主要由匹配电阻,和补偿电容组成,值得注意的是,后端电路中的补偿电容(C2并C3)不单单只是与前端链路进行匹配,还需要注意示波器的输入电容以及线缆的寄生电容,所以在计算阻抗匹配时,不仅要计算上补偿电容,还需要计算示波器的输入电容值和线缆的寄生电容,以保证探头的阻抗匹配,实现高精度的测量。电阻R5是为了防止"地弹"现象,保证了信号的准确性。
高压单端探头,最重要的核心在于电阻分压和电容耦合,解决了这两个问题,大衰减比,高精度都可以迎刃而解。同时器材的选型也尤为重要,下期再阐述在高压单端探头设计的过程中,我们应该如何进行选型处理。