詳解示波器探頭

圖3 邏輯探頭示意圖
2.5 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。
3 示波器探頭對(duì)測(cè)量的影響
3.1 負(fù)載效應(yīng)
所謂負(fù)載效應(yīng)就是在被測(cè)電路上接入示波器時(shí)，有時(shí)示波器的輸入電阻會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生影響，致使被測(cè)電路的信號(hào)發(fā)生變化。若負(fù)載效應(yīng)的影響很大，就不能準(zhǔn)確地進(jìn)行波形測(cè)量。若要減小負(fù)載效應(yīng)，就需要將示波器一端的輸入電阻增大。輸入電阻越大，輸入電容越小，負(fù)載效應(yīng)就越小。
在示波器測(cè)量中，另外一種負(fù)載效應(yīng)指的是探頭對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要減輕探頭對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)，不至影響到被測(cè)信號(hào)，因此應(yīng)選擇高輸入阻抗的探頭。探頭的輸入阻抗可以等效為電阻與電容的并聯(lián)。低頻時(shí)（1MHz以下）探頭的負(fù)載主要是阻抗作用；高頻時(shí)（10MHz以上）探頭的負(fù)載主要是容抗作用。為了減輕探頭對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載作用，應(yīng)選擇高阻抗、低容抗的探頭，例如帶寬100MHz用的無源探頭，它的輸入電阻是1~10Ω，輸入電容是1~10pF。有源探頭的負(fù)載作用優(yōu)于無源探頭，頻率特性更好。
3.2 阻抗匹配
阻抗是電壓和電流之比，在理想情況下，對(duì)被測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)試時(shí)不應(yīng)影響它的正常工作，測(cè)量值也應(yīng)和未接測(cè)試儀器時(shí)相同。當(dāng)連接儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要考慮阻抗對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響，為了保證儀器之間能夠傳送最大的功率，阻抗應(yīng)該匹配。如果阻抗為純電阻，應(yīng)使輸入阻抗與輸出阻抗的值相等。如果阻抗包含電抗成分應(yīng)使負(fù)載的輸入阻抗與源的輸出阻抗共軛匹配，這時(shí)能夠傳送最大功率。
阻抗匹配的阻抗值通常和使用的傳輸線的特性阻抗值一致。對(duì)于射頻系統(tǒng)，一般采用50Ω阻抗。對(duì)于高阻抗儀器，由于等效并聯(lián)電容的存在，隨著頻率升高，并聯(lián)組合阻抗逐漸變小，將對(duì)被測(cè)電路形式負(fù)載。如1MΩ輸入阻抗，在頻率達(dá)到100MHz時(shí)，等效阻抗只有100Ω左右。因此，高帶寬的示波器一般都采用50Ω輸入阻抗，這樣可以保證示波器與源端的匹配。但是使用50Ω輸入阻抗時(shí)，必須考慮到50Ω輸入阻抗的負(fù)載效應(yīng)比較明顯，此時(shí)最好使用低電容的有源探頭。
3.3 電容負(fù)荷
隨著信號(hào)頻率或轉(zhuǎn)換速率提高，阻抗的電容成分變成主要因素。結(jié)果，電容負(fù)荷成為主要問題，特別是電容負(fù)荷會(huì)影響快速轉(zhuǎn)換波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間及波形中高頻成分幅度。
4 示波器探頭的主要技術(shù)指標(biāo)
4.1 帶寬和上升時(shí)間
探頭的帶寬是指導(dǎo)致探頭響應(yīng)輸出幅度下降到70.7%（-3dB）的頻率。上升時(shí)間是指探頭對(duì)步進(jìn)函數(shù)10~90%的響應(yīng)，表明了探頭可以從頭部到示波器輸入傳送的快速測(cè)量轉(zhuǎn)換。大多數(shù)探頭，帶寬與上升時(shí)間乘積接近0.35。在很多情況下，帶寬由脈沖上升時(shí)間驗(yàn)證來保證最小失真。
4.2 電容
探頭頭部電容指標(biāo)是指探頭探針上的電容，是探頭等效在被測(cè)電路測(cè)試點(diǎn)或被測(cè)設(shè)備上的電容。探頭對(duì)示波器一端也等效成一個(gè)電容，這個(gè)電容值應(yīng)該與示波器電容相匹配。對(duì)10×和100×探頭，這一電容稱為補(bǔ)償電容，它不同于探頭頭部電容。下面將繼續(xù)介紹補(bǔ)償電容。

4.3 畸變(Aberration)
畸變是輸入信號(hào)預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會(huì)立即發(fā)生畸變，其表現(xiàn)為所謂的“減幅振蕩”。沒有規(guī)定極限畸變的高頻探頭可以提供使人完全誤解的測(cè)量。存在畸變可以說明嚴(yán)重失真的帶寬和滾降(roll-off)特性。
4.4 衰減系數(shù)
當(dāng)正確接上終端時(shí)，探頭應(yīng)該有恒定的衰減系數(shù)。衰減系數(shù)是輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的比值。某些探頭的可能會(huì)有可以選擇的衰減系數(shù)，典型的衰減系數(shù)是1×、10×和100×。1×檔和10×檔電路如圖4所示，這兩部分電路均由電阻電容組成。

4.5 探頭衰減補(bǔ)償
所謂探頭衰減補(bǔ)償是指當(dāng)示波器和探頭配合使用時(shí)，調(diào)整探頭中的可變電容，以使頻率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。探頭補(bǔ)償意味著在探頭末端和示波器的輸入端之間頻率補(bǔ)償。探頭末端與示波器的輸入端的關(guān)系如圖5所示，調(diào)節(jié)C2可得如下關(guān)系：

圖5 電容探頭補(bǔ)償電路

示波器的輸入電阻雖然只有1MΩ，但是與其并聯(lián)的輸入電容卻根據(jù)機(jī)種的不同而有差異。即使是同一機(jī)種，每個(gè)通道上的輸入電容也不相同，所以，改變了示波器和探頭的組合，相應(yīng)的也要改變探頭的相位補(bǔ)償。
探頭校準(zhǔn)的方法如下：將探頭與探頭校準(zhǔn)的方波信號(hào)輸出端子相連，探頭的特性為最佳狀態(tài)時(shí)，如圖6中(a)所示，若出現(xiàn)(b)，(c)所示的情況，請(qǐng)用改錐調(diào)整探頭上的頻率補(bǔ)償微調(diào)電容器進(jìn)行校準(zhǔn)。