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，可直接測量光器件和光纖傳輸?shù)墓庑盘枴?BR>溫度探頭是普通電壓探頭與溫度傳感器的組合，可直接測量物體的溫度。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量多種物理量。
3 示波器探頭對測量的影響
3.1 負(fù)載效應(yīng)
所謂負(fù)載效應(yīng)就是在被測電路上接入示波器時，有時示波器的輸入電阻會對被測電路產(chǎn)生影響，致使被測電路的信號發(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。
在示波器測量中，另外一種負(fù)載效應(yīng)指的是探頭對被測電路的負(fù)載效應(yīng)，為保證測量的準(zhǔn)確性，需要減輕探頭對被測電路的負(fù)載效應(yīng)，不至影響到被測信號，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（1MHz以下）探頭的負(fù)載主要是阻抗作用；高頻時（10MHz以上）探頭的負(fù)載主要是容抗作用。為了減輕探頭對被測電路的負(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，對被測儀器進(jìn)行測試時不應(yīng)影響它的正常工作，測量值也應(yīng)和未接測試儀器時相同。當(dāng)連接儀器進(jìn)行測量時，要考慮阻抗對測量準(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。對于射頻系統(tǒng)，一般采用50Ω阻抗。對于高阻抗儀器，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，將對被測電路形式負(fù)載。如1MΩ輸入阻抗，在頻率達(dá)到100MHz時，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，必須考慮到50Ω輸入阻抗的負(fù)載效應(yīng)比較明顯，此時最好使用低電容的有源探頭。
3.3 電容負(fù)荷
隨著信號頻率或轉(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)荷會影響快速轉(zhuǎn)換波形的上升時間和下降時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。上升時間是指探頭對步進(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量轉(zhuǎn)換。大多數(shù)探頭，帶寬與上升時間乘積接近0.35。在很多情況下，帶寬由脈沖上升時間驗證來保證最小失真。
4.2 電容
探頭頭部電容指標(biāo)是指探頭探針上的電容，是探頭等效在被測電路測試點或被測設(shè)備上的電容。探頭對示波器一端也等效成一個電容，這個電容值應(yīng)該與示波器電容相匹配。對10×和100×探頭，這一電容稱為補償電容，它不同于探頭頭部電容。下面將繼續(xù)介紹補償電容。

4.3 畸變(Aberration)
畸變是輸入信號預(yù)計響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會立即發(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，探頭應(yīng)該有恒定的衰減系數(shù)。衰減系數(shù)是輸出信號對輸入信號的比值。某些探頭的可能會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 探頭衰減補償
所謂探頭衰減補償是指當(dāng)示波器和探頭配合使用時，調(diào)整探頭中的可變電容，以使頻率達(dá)到相對穩(wěn)定。探頭補償意味著在探頭末端和示波器的輸入端之間頻率補償。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)機種的不同而有差異。即使是同一機種，每個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)的方波信號輸出端子相連，探頭的特性為最佳狀態(tài)時，如圖6中(a)所示，若出現(xiàn)(b)，(c)所示的情況，請用改錐調(diào)整探頭上的頻率補償微調(diào)電容器進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖6 探頭校準(zhǔn)示意圖
4.6 額定最大電壓
額定最大電壓由DC + peak AC決定，即輸出電壓的直流值和交流峰值的總和不能超過示波器的額定電壓最大值，如果超過這個額定最大電壓，會損壞探頭。
4.7 電壓額定值隨頻率的下降
電壓探頭在低頻時的最大輸入電壓有明確的規(guī)定，隨著頻率的增加輸入電壓會相應(yīng)降低。對于高頻探頭必須注意輸入電壓隨頻率的變化，在頻率高于1MHz時允許的輸入電壓隨頻率的增加而急劇下降。
5 最佳示波器探頭的選擇
探頭的特性和特點中最重要的參數(shù)就是帶寬和輸入阻抗，它們既要與示波器的帶寬和輸入阻抗匹配，又要將對被測電路的影響減到最小。因此選擇探頭時要綜合考慮。
5.1 帶寬和上升時間
探頭的帶寬或上升時間要等于或優(yōu)于示波器的帶寬。如果觀察純正弦信號，探頭帶寬等于被測信號頻率的最高值即可；如觀察非正弦信號，探頭帶寬應(yīng)能容納被測信號的基波和最重要諧波分量。為精確地測量脈沖的上升時間和下降時間，系統(tǒng)的上升時間（示波器和探頭