示波器探頭分類及詳細(xì)介紹

示波器探頭分類及詳細(xì)介紹示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器，其利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測的交變電信號轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在熒光屏上進(jìn)行測量。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。示波器不可或缺的一個(gè)元件就是示波器探頭。一.示波器探頭簡介示波器探頭是在測試點(diǎn)或信號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)鍵的問題：物理連接、對電路操作的影響和信號傳輸。二.示波器探頭的分類市場上提供了數(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線電頻率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段來劃分。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，而探頭通常是按測量對象進(jìn)行分類的。1無源電壓探頭1.1無源探頭無源探頭由導(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。探頭中沒有有源器件(晶體管或放大器)，因此不需為探頭供電。無源探頭一般是最堅(jiān)固、最經(jīng)濟(jì)的探頭，它們不僅使用簡便，而且使用廣泛。1.2高阻無源電壓探頭從實(shí)際需要出發(fā)，使用最多的是電壓探頭，其中高阻無源電壓探頭占最大部分。無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×。在這些無源探頭中，10×無源電壓探頭是最常用的探頭。對信號幅度是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低阻無源電壓探頭大多數(shù)高阻無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無源高壓探頭“高壓”是相對的概念。從探頭角度看，我們可以把高壓定義為超過典型的通用10×無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。最常見的情況下，有源設(shè)備是一種場效應(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試點(diǎn)上進(jìn)行測量，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，可以使用更長的地線。有源FET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。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是互相參考，而不是參考接地的信號。差分探頭可測量浮置器件的信號，實(shí)質(zhì)上它是兩個(gè)對稱的電壓探頭組成，分別對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看，用電壓探頭測得電壓值，除以被測阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實(shí)際上這種測量引入的誤差很大，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得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號電流磁通經(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)生電場的變化，并感應(yīng)出電壓。交流電流探頭屬于無源設(shè)備，無需外接供電。3.2直流電流探頭傳統(tǒng)電流探頭只能測量交流交流信號，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)生與直流電場對應(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，可直接測量光器件和光纖傳輸?shù)墓庑盘?。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。三.示波器探頭使用注意事項(xiàng)將待測信號正確接入示波器是測試工作的第一步，這里我們主要介紹探頭與被測電路連接時(shí)的注意事項(xiàng)。1.探頭與被測電路連接時(shí)，探頭的接地端務(wù)必與被測電路的地線相聯(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.測量建立時(shí)間短的脈沖信號和高頻信號時(shí)，請盡量將探頭的接地導(dǎo)線與被測點(diǎn)的位置鄰近。接地導(dǎo)線過長，可能會(huì)引起振鈴或過沖等波形失真。3.為避免接地導(dǎo)線影響對高頻信號的測試，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)測試附件。4.為避免測量誤差，請務(wù)必在測量前對探頭進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，探頭衰減補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)原理和方法我們在前面已經(jīng)介紹過，這里不再贅述。5.對于高壓測試，要使用專用高壓探頭，分清楚正負(fù)極后，確認(rèn)連接無誤才能通電開始測量。6.對于兩個(gè)測試點(diǎn)都不處于接地電位時(shí)，要進(jìn)行“浮動(dòng)”測量，也稱差分測量，要使用專業(yè)的差分探頭。7總結(jié)探頭對示波器測量至關(guān)重要，所以要求探頭對探測的電路影響必須達(dá)到最