示波器探頭的詳細(xì)介紹

示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。他能把人類肉眼看不到的電信號(hào)變換成看得見(jiàn)的圖像，從而方便了人們?cè)陔姮F(xiàn)象變化的研究。示波器不可或缺的一個(gè)元件就是示波器探頭。

一.示波器探頭簡(jiǎn)介

示波器探頭是在測(cè)試點(diǎn)或信號(hào)源和示波器之間建立了一條物理和電子連接;實(shí)際上，示波器探頭是把信號(hào)源連接到示波器輸入上的某類設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)，它必須在信號(hào)源和示波器輸入之間提供足夠方便優(yōu)質(zhì)的連接。連接的充分程度有三個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：物理連接、對(duì)電路操作的影響和信號(hào)傳輸。

二.示波器探頭的分類：

市場(chǎng)上提供了數(shù)百種、甚至上千種不同的示波器探頭。示波器探頭的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)是頻率特性，按頻率劃分探頭的種類有其方便之處，但是示波器探頭的頻率覆蓋范圍有限很難按無(wú)線電頻率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段來(lái)劃分。示波器探頭是所有探頭中的一種，最常使用的探頭是電壓電流探頭，而探頭通常是按測(cè)量對(duì)象進(jìn)行分類的。

1 無(wú)源電壓探頭

1.1 無(wú)源探頭

無(wú)源探頭由導(dǎo)線和連接器制成，在需要補(bǔ)償或衰減時(shí)，還包括電阻器和電容器。探頭中沒(méi)有有源器件(晶體管或放大器)，因此不需為探頭供電。無(wú)源探頭一般是最堅(jiān)固、最經(jīng)濟(jì)的探頭，它們不僅使用簡(jiǎn)便，而且使用廣泛。

1.2 高阻無(wú)源電壓探頭

從實(shí)際需要出發(fā)，使用最多的是電壓探頭，其中高阻無(wú)源電壓探頭占最大部分。無(wú)源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)1×，10×和100×。在這些無(wú)源探頭中，10×無(wú)源電壓探頭是最常用的探頭。對(duì)信號(hào)幅度是1V峰峰值或更低的應(yīng)用，1×探頭可能要比較適合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信號(hào)混合(幾十毫伏到幾十伏)的應(yīng)用中，可切換1×/10×探頭要方便得多。但是，可切換1×/10×探頭在本質(zhì)上是一個(gè)產(chǎn)品中的兩個(gè)不同探頭，不僅其衰減系數(shù)不同，而且其帶寬、上升時(shí)間和阻抗(R和C)特點(diǎn)也不同。因此，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提供標(biāo)準(zhǔn)10×探頭實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)性能。

1.3 低阻無(wú)源電壓探頭

大多數(shù)高阻無(wú)源探頭的帶寬范圍在小于100MHz到500MHz或更高的帶寬之間。而低阻無(wú)源電壓探頭(又稱為50歐姆探頭、Zo探頭、分壓器探頭)的頻率特性很好，采用匹配同軸電纜的探頭，帶寬可達(dá)10GHz和100皮秒或更快的上升時(shí)間。這種探頭是為用于50歐姆環(huán)境中設(shè)計(jì)的，這些環(huán)境一般是高速設(shè)備檢定、微波通信和時(shí)域反射計(jì)(TDR)。

1.4 無(wú)源高壓探頭

“高壓”是相對(duì)的概念。從探頭角度看，我們可以把高壓定義為超過(guò)典型的通用10×無(wú)源探頭可以安全處理的電壓的任何電壓。高壓探頭要求具有良好的絕緣強(qiáng)度，保證使用者和示波器的安全。

2.有源電壓探頭

2.1 有源探頭

有源探頭包含或依賴有源器件，如晶體管。最常見(jiàn)的情況下，有源設(shè)備是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，它提供了非常低的輸入電容，低電容會(huì)在更寬的頻段上導(dǎo)致高輸入阻抗?？梢詮南旅娴腦c公式中看出：

2.2 有源FET探頭

有源FET探頭的規(guī)定帶寬一般在500MHz ～4GHz之間。除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻抗未知的測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，而產(chǎn)生負(fù)荷效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)要低得多。另外，由于低電容降低了地線影響，可以使用更長(zhǎng)的地線。

有源FET探頭沒(méi)有無(wú)源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動(dòng)態(tài)范圍一般在±0.6V到±10V之間。

2.3 有源差分探頭

差分信號(hào)是互相參考，而不是參考接地的信號(hào)。差分探頭可測(cè)量浮置器件的信號(hào)，實(shí)質(zhì)上它是兩個(gè)對(duì)稱的電壓探頭組成，分別對(duì)地段有良好絕緣和較高阻抗。差分探頭可以在更寬的頻率范圍內(nèi)提供很高的共模抑制比(CMRR)。

3 電流探頭

從原理上來(lái)看，用電壓探頭測(cè)得電壓值，除以被測(cè)阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實(shí)際上這種測(cè)量引入的誤差很大，所以一般不采用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測(cè)得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號(hào)電流磁通經(jīng)互感變壓器變換成電壓，再由探頭內(nèi)的放大器放大后送到示波器。

3.1 交流電流探頭

交流電流在互感器中，隨著電流方向的變化，產(chǎn)生電場(chǎng)的變化，并感應(yīng)出電壓。交流電流探頭屬于無(wú)源設(shè)備，無(wú)需外接供電。

3.2 直流電流探頭

傳統(tǒng)電流探頭只能測(cè)量交流交流信號(hào)，因?yàn)榉€(wěn)定的直流電流不能在互感器中感應(yīng)電流。然而，利用霍爾效應(yīng)，電流偏流的半導(dǎo)體設(shè)備將產(chǎn)生與直流電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電壓。所以，直流電流探頭是一種有源設(shè)備，需要外接供電。

所以電流探頭基本上分成兩類：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭通常是無(wú)源探頭，AC/DC電流探頭通常是有源探頭。

4 邏輯探頭

使用示波器觀察分析數(shù)字波形的模擬特點(diǎn)時(shí)，需要用到邏輯探頭，為隔離確切地成因，數(shù)字設(shè)計(jì)人員通常需要查看在具體邏輯條件下發(fā)生的特定數(shù)據(jù)脈沖，這要求邏輯觸發(fā)功能。如圖3為邏輯探頭示意圖，可以在大多數(shù)示波器中增加這種邏輯出發(fā)功能。

5 其他探頭

由于示波器的應(yīng)用范圍十分廣泛，所以除了上述的探頭類型外還有各種專用探頭，這些專業(yè)探頭根據(jù)其前端傳感器的不同而有不同的功用，下面我們介紹其中的兩種，僅供讀者了解。

光電探頭在原理上是普通電壓探頭與光電轉(zhuǎn)換器件的組合，可直接測(cè)量光器件和光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)。

溫度探頭是普通電壓探頭與溫度傳感器的組合，可直接測(cè)量物體的溫度。溫度探頭屬傳感器探頭的一種，各種傳感器探頭與示波器配合可測(cè)量多種物理量。

三.示波器探頭使用注意事項(xiàng)

將待測(cè)信號(hào)正確接入示波器是測(cè)試工作的第一步，這里我們主要介紹探頭與被測(cè)電路連接時(shí)的注意事項(xiàng)。

1. 探頭與被測(cè)電路連接時(shí)，探頭的接地端務(wù)必與被測(cè)電路的地線相聯(lián)。否則在懸浮狀態(tài)下，示波器與其他設(shè)備或大地間的電位差可能導(dǎo)致觸電或損壞示波器、探頭或其他設(shè)備。

2. 測(cè)量建立時(shí)間短的脈沖信號(hào)和高頻信號(hào)時(shí)，請(qǐng)盡量將探頭的接地導(dǎo)線與被測(cè)點(diǎn)的位置鄰近。接地導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)引起振鈴或過(guò)沖等波形失真。

3. 為避免接地導(dǎo)線影響對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)試，建議使用探頭的專用接地附件。如圖8所示為典型通用電壓探頭所帶有的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試附件。

4. 為避免測(cè)量誤差，請(qǐng)務(wù)必在測(cè)量前對(duì)探頭進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，探頭衰減補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)原理和方法我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)介紹過(guò)，這里不再贅述。

5. 對(duì)于高壓測(cè)試，要使用專用高壓探頭，分清楚正負(fù)極后，確認(rèn)連接無(wú)誤才能通電開(kāi)始測(cè)量。

6. 對(duì)于兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)都不處于接地電位時(shí)，要進(jìn)行“浮動(dòng)”測(cè)量，也稱差分測(cè)量，要使用專業(yè)的差分探頭。

7 總結(jié)

探頭對(duì)示波器測(cè)量至關(guān)重要，所以要求探頭對(duì)探測(cè)的電路影響必須達(dá)到最小，并希望對(duì)測(cè)量值保持足夠的信號(hào)保真度。如果探頭以任何方式改變信號(hào)或改變電路運(yùn)行方式，示波器會(huì)看到實(shí)際信號(hào)的失真結(jié)果，進(jìn)而可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果，或者誤導(dǎo)性的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)以上介紹可知，探頭的選購(gòu)和正確使用有許多值得注意的地方，只有與示波器和被測(cè)電路都匹配良好的探頭才是您該選擇和使用的探頭。