示波器探頭原理

示波器探頭不僅僅是把測試信號判定以示波器輸入端的一段導線，而且是測量系統的重要組成部分。探頭有很多種類型號各有其沒的特性，以適應各種不同的專門工作的擊破要，其中一類稱為有源探頭，探頭內包含有源電子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探頭稱為無源探頭，其中只包含無源元件如電阻和電容。這種探頭通常對輸入信號進行衰減。
　　我們將首先集中討論通用無源探頭，說明共主要技術指標以及探頭對被測電路和被測信號的影響，接著簡單介紹幾種專用探頭。
　　示波器探頭的一個重要任務是確保只有希望觀測的信號才在示波器上出現，如果我們僅僅使用一面導線來代替探頭，那到它的作用就好象是一根天線，可以從無線電臺、熒光燈，電機、50或60Hz的電源的交流聲甚至當地業余無線電愛好者那里接收到很多不希望的干擾信號，其些這類噪聲甚至還能抽向注入到被測電路中去所以我們首先需要的是屏蔽的電纜，示波器探頭的屏蔽電纜通過們于探頭尖端的接地線和被測電路連接，從而保證了很好的屏蔽。
示波器探頭帶寬和示波器一樣，示波器探頭也具有其允許的有限帶寬。如果我們使用一臺100MHz的示波器和一個100MHz的探頭，那么它們組合起來的響應就小于100MHz，探頭的電容和示波器的輸入電容相加，這就減小了系統的帶寬，加大了顯示的上升時間
tr(ns)=350/BW(MHz)
　　如果示波器和探頭各自均為100MHz帶寬，其上升時間均為tr=3.5ns 。則有效系統上升時間就由下式給出：
trsystem=sqr(t2rscope+t2rprobe)
=sqr(3.52+3.52)ns
=sqr(24.5)2ns
=4.95ns
　　根據4.95ns的系統上升時間求得，系統帶寬為350/4.95MHz=70.7MHz。
　　從上述的計算可以看出，視覺要求探頭本射的帶寬要比示波器的帶寬寬得多。

示波器探頭負載效應 ：
　　當我們進行測量時，我們常常以為測得的電壓和電路中未連入示波器時是完全一樣的。
　　實際上，每個示波器探頭都有其輸入阻抗，輸入阻抗包含了電阻、電容和電感分量。由于探頭引入的額外負載，所以連入探頭后就會影響被測電路我以當我們分析測量結果時必須考慮探頭的特性以及測試電路的阻抗。
　　有些示波器探頭里沒有串聯的電阻，這類探頭主要就由一段電纜和一個測試頭構成，因此，在其工作頻率范圍或有用帶寬之內，探頭對信號沒有衰減作用。這類探頭稱為1：1或X1探頭。由于這類探頭在測試點處將其自身的電容（包括電纜的電容）與示波器的輸入阻抗連在了一起，所以這種探頭具有負載效應。
示波器探頭的等效電路：
　　當信號頻率嗇時，探頭的容性負載效應京戲得更加顯著。由于電纜的類型和長度的不同以及探頭本身構造等原因，1：1探頭的輸入電容通?？梢詮拇蠹s35pF到100pF以上，這等于給被測電路施加了一個低阻抗菌素負載，具有47pF輸入電容1：1探頭在20MHz之下的電抗僅為169W，這就使得這個探頭在此頻率無法使用。
衰減式探頭減小了負載效應
　　我們可以在探頭中增加一個和示波器輸入阻抗相串聯的阻抗，用這種辦法就可以減小探頭的負載效應。然而，這就意味著輸入電壓不能完全加到示波器的輸入端，因為我們現在已經引入了一個分壓器。
　　給出了一處簡化的探頭等效電路，Rp和Rs構成了一個10：1的分壓器，Rs為示波器的輸入阻抗。調節補償電容C補償使得探頭和示波器械相匹配，視覺保證了在探頭的尖端獲得正確的頻率響應曲線，這樣一來就使得這種探頭的頻率響應比1：1探頭頻率響應要寬得多。
　　示波器的標準輸入電阻為1MΩ。這就要求在探頭中串聯9MΩ的電阻，使得在低頻時探頭尖端的輸入阻抗為10MΩ。
探頭補償 
　　一個實際的10：1探頭具有幾個可調的電容和電阻以便在很寬的頻率范圍內獲得正確的頻率響應，這些可調元件的大多數都是在制造探頭時由工廠調好的。只有一個微調電容留給用戶去調節。這個電容稱為低頻補償電容，應當通過調節這個電容使得探頭和與相配用的示波器匹配，使用示波器前面板上的信號輸出可以很容易地進行這項調節工作，示波器的這個輸出端標有"探頭調節"、"校準器""CAL"或者"探頭校準"等標志，并能送出一個方波輸出電壓。方波中包含很多頻率分量。當所有這些分量都以正確的幅度送至示波器時，就能在示流器屏幕上再現方波信號。
在2kHz方波和1MHz正弦波之下觀察不同探頭補償情況的影響。
　　可以看出，在較高的的頻率下探頭過補償和欠補償和欠被償情況下1MHz正弦波的幅度是很不準確的。
　　所以在使用的衰減探頭之前一定不要忘記檢查探頭的補償情況。由于一臺示波器的不同輸入通道的輸入電容可能有小的差異，所以您應當按照示波器上要使用的通道來進行探頭補償調整工作。
示波器探頭最大輸入電壓 
　　多數通用10：1探頭的構造使這些探頭適合于最大輸入電壓為峰值400V或500V的情況下使用，所以這些探頭可以用于信號電平高達數百伏的廣泛的應用場合，對于需要測量更高電壓的場面合，我們推薦使用電壓額定值更高的100：1探頭。
示波器探頭讀出 
　　現代示波器探頭都裝有編碼系統，使得示波器能夠識別與它相連年的探頭類型。 從而使示波器能夠高速垂直偏轉指示值及所有幅度測量結果以避免發生泥淆。而如果使用不帶這種識別系統的探頭，則用戶就不得不自己為所有波形顯示和測量結果重新定檣以便反映出探頭的衰減量。
接地引線電感
　　說明探頭的接地引線電感如何與探頭及示波器的輸入電容形成串聯諧振電路。而探頭的輸入電阻則在諧振電路中引入阻尼。
帶有接地引線電感的示波器探頭等效電路
　　像其它諧振電路一樣，如果在探頭上加入階躍電壓則此諧振電路也會發生振鈴現象，過大的接地引線電感還會使示波器顯示的上升時間變差，圖46顯示出使用不同長度的接地引線時，連至示波器的快速上升沿脈沖的顯示波形。
接地引線對脈沖響應的影響
　　在測高頻和快速上升沿的信號時應注意，一定要使探頭的接地引線盡可能的短，
安全接地 
　　為保證電氣上的安全，多數示波器都通過電源線與安全地線相連。被測信號有可能和地線具有相同的參考電位，但并非必然如此，因此在連接探頭的地線時，一定要注意不要因此而把被測系統的某一部分短路。另一方面，既使被測系統和示波器的地線具有相同的參考電位，這也并不意味著可以用安全地線來作信號返回通路，這是由于安全地線連接走線很長，具有很大的引線電感，因此不適合作信號返回通路。這時一定要用探頭的接地引線來作為信號的參考地線。
示波器探頭類型 
　　我們已經研究了10：1和1：1兩種探頭，此外還有多種其它類型的通用探頭。
可切換式示波器探頭
　　這種探頭將10：1探頭和1：1探頭容為一體，使用起來非常方便，在一般情況下建議使用10：1檔，因為在這一檔探頭對被測電路的負載效應小，而且頻帶寬。而1：1檔則可在測量低頻低電平信號時使用。
衰減器示波器探頭
　　另一種常用的衰減器探頭為100：1探頭，其輸入電容較低，典型值為2.5pF，輸入電阻為20MW，探頭的額定電壓值很高，典型值為4KV。因此這種探頭適合于在測量高壓變換器等電壓很高的場合使用。
FET示波器探頭
　　這是一種可在高頻下使用的有源探頭，其使用頻率可達650MHz。其輸入電容可低達1.4pF，因此特別適合于在具有很高源阻抗的電路中測量快速瞬變，或者其它要求探頭負載效應最小的場合。由于采用有源設計方案，所以FET探頭也可用于1：1的情況，仍具有極低的輸入電容。
電流示波器探頭
　　顧名思義，使用這種探頭時示波器上顯示的是導體中的電流而不是其上的電壓。在這種探頭的頭上裝有一個電流感應變壓器，使用時只要把探頭卡到電纜導線上而無需切斷電路，探頭獲得的信號首先變換成電壓，再經過比例變換后送到示波器的端，這時示波器顯示的單位為A/格或mA/格。探頭的頻率范圍可達70MHz以上。
　　使用電流探頭以后，具有數學處理能力的示波器就可以通過將電壓波形和電流波形相乘來進行功率的測量。
隔離放大器 
　　隔離放大器雖然不是一般意義下的探頭，但我們可以把它看成是一種用來把示波器測量點和地電位隔離開來的特殊類。這種"探頭"之所以必要是因為，除非使用電源隔離變壓器或者電池來為示波器供電，不然的話，示波器的輸入參考地線總是在地電位，采用隔離放大器還使我們能夠測量疊加于很大的共模電壓之上的小信號。隔離放大器的輸入單元整個由塑料構成。并由電池供電，以保證安全。隔離放大器大都應用在電力和控制系統等領域。

其它附件 
　　示波器還可配備多種附件，其中有些附件是為了使示波器適合于在某種測量環境下使用，例如：接口，上架機件及軟件包，而另一些附件則有助于方便、有條有理的攜帶示波器及探頭或者有助于專門的測量工作。
視頻行選擇器
　　這個附近件對于視頻工程師的工作是極理想的工具。它能生成行、場及幀同步脈沖用以觸發示波器，使得視頻工程師可以對某一視頻行的各部分進行研究。通過開關可以觀察行的另碼，當該行到來時示波器就觸發。
　　某些型號的示波器，如PM3394A具有內置式的視頻行選擇器。這時，此功能的控制機構則為示波器控制機構的一部分。
終端負載 
　　當測量低阻抗系統時，示波器必須配以正確的終端負載以避免信號失真。某些示波器的輸入端可以由開關切換成50Ω的輸入阻抗。對于沒有這種功能的示波器則可使用這種終端負載附件來和示波器的輸入端配合使用，終端負載的衰減系數有1：1、10：1及100：1多咱。此外還有75Ω規格的終端負載可供其它視頻系統使用。

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