示波器探頭的原理

示波器探頭的原理

•       示波器探頭的主要作用是把被測的電壓信號從測量點(diǎn)引到示波器進(jìn)行測量。

•       探頭是介于被測信號和示波器之間的中間環(huán)節(jié)，如果信號在探頭處就已經(jīng)失真了，那么示波器做的再好也沒有用。實(shí)際上探頭的設(shè)計(jì)要比示波器難得多，因?yàn)槭静ㄆ鲀?nèi)部可以做很好的屏蔽，也不需要頻繁拆卸，而探頭除了要滿足探測的方便性的要求以外，還要保證至少和示波器一樣的帶寬，難度要大得多。因此zui早高帶寬的實(shí)時(shí)示波器剛出現(xiàn)時(shí)是沒有相應(yīng)的探頭的，又過了一段時(shí)間探頭才出來。

  　　要選擇合適的探頭，首要的一點(diǎn)是要了解探頭對測試的影響，這其中包括2部分的含義：1、探頭對被測電路的影響；2、探頭造成的信號失真。理想的探頭應(yīng)該是對被測電路沒有任何影響，同時(shí)對信號沒有任何失真的。遺憾的是，沒有真正的探頭能同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，通常都需要在這兩個(gè)參數(shù)間做一些折衷。

  　　為了考量探頭對測量的影響，我們通常可以把探頭模型簡單等效為一個(gè)R、L、C的模型，把這個(gè)模型和我們的被測電路放在一起分析。

  　　首先，探頭本身有輸入電阻。和萬用表測電壓的原理一樣，為了盡可能減少對被測電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。但由于Rprobe不可能做到無窮大，所以就會和被測電路產(chǎn)生分壓，實(shí)際測到的電壓可能不是探頭點(diǎn)上之前的真實(shí)電壓，這在一些電源或放大器電路的測試中會經(jīng)常遇到。為了避免探頭電阻負(fù)載造成的影響，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探頭的輸入阻抗在幾十k歐姆到幾十兆歐姆間。

  　　其次，探頭本身有輸入電容。這個(gè)電容不是刻意做進(jìn)去的，而是探頭的寄生電容。這個(gè)寄生電容也是影響探頭帶寬的zui重要因素，因?yàn)檫@個(gè)電容會衰減高頻成分，把信號的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下Cprobe應(yīng)該為0，但是實(shí)際做不到。一般無源探頭的輸入電容在10pf至幾百pf間，帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pf至幾pf間。

  　　再其次，探頭輸入端還會受到電感的影響。探頭的輸入電阻和電容都比較好理解，探頭輸入端的電感卻經(jīng)常被忽視，尤其是在高頻測量的時(shí)候。電感來自于哪里呢？我們知道有導(dǎo)線就會有電感，探頭和被測電路間一定會有一段導(dǎo)線連接，同時(shí)信號的回流還要經(jīng)過探頭的地線。通常1mm探頭的地線會有大約1nH的電感，信號和地線越長，電感值越大。探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，當(dāng)電感值太大時(shí)，在輸入信號的激勵(lì)下就有可能產(chǎn)生高頻諧振，造成信號的失真。所以高頻測試時(shí)需要嚴(yán)格控制信號和地線的長度，否則很容易產(chǎn)生振鈴。

示波器探頭的分類

• 　　示波器的探頭按是否需要供電可以分為無源探頭和有源探頭，按測量的信號類型可以分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。所謂的無源探頭，是指整個(gè)探頭都由無源器件構(gòu)成，包括電阻、電容、電纜等；而有源探頭內(nèi)部一般有放大器，放大器是需要供電的，所以叫有源探頭。示波器中高阻無源探頭的輸入阻抗高，但帶寬做不高，低阻無源探頭帶寬可以做高但輸入阻抗不高。

  　　有源電壓探頭：一般適用于帶寬大于500M Hz，幅度小于正負(fù)3伏的單端信號。

  　　無源探頭：一般用于測試帶寬小于500M Hz的單端信號。它是比較經(jīng)濟(jì)的一類探頭。

  　　差分探頭：一般用于測試差分信號。分為高帶寬和高電壓兩種。高電壓差分探頭可以測試高達(dá)4400伏的差分信號；高帶寬差分探頭可以測試帶為高達(dá)12.5G的高速信號。

  　　電流探頭：一般利用霍爾效應(yīng)來測試電流信號。測試范圍一般為從DC到2G。幅度由1 mA 到20000A。

  　　低電容探頭：這是為匹配而設(shè)置的探頭。這種探頭目前市場型號比較少，zui高可以測量帶寬9G Hz。

  　　高壓探頭：適合測試高壓信號，zui高可以測量達(dá)4000伏的電壓，可分為單端和差分兩種探頭。

示波器探頭的使用注意事項(xiàng)

• 　　首先是帶寬，這個(gè)通常會在探頭上寫明，多少M(fèi)Hz。如果探頭的帶寬不夠，示波器的帶寬再高也是無用，瓶頸效應(yīng)。

  　　另外就是探頭的阻抗匹配。探頭在使用之前應(yīng)該先對其阻抗匹配部分進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常在探頭的靠近示波器一端有一個(gè)可調(diào)電容，有一些探頭在靠近探針一端也具有可調(diào)電容。它們是用來調(diào)節(jié)示波器探頭的阻抗匹配的。如果阻抗不匹配的話，測量到的波形將會變形。調(diào)節(jié)示波器探頭阻抗匹配的方法如下：

  　　首先將示波器的輸入選擇打在GND上，然后調(diào)節(jié)Y軸位移旋鈕使掃描線出現(xiàn)在示波器的中間。檢查這時(shí)的掃描線是否水平（即是否跟示波器的水平中線重合），如果不是，則需要調(diào)節(jié)水平平衡旋鈕（通常模擬示波器有這個(gè)調(diào)節(jié)端子，在小孔中，需要用螺絲刀伸進(jìn)去調(diào)節(jié)。數(shù)字示波器不用調(diào)節(jié)）。然后，再將示波器的輸入選擇打到直流耦合上，并將示波器探頭接在示波器的測試信號輸出端上（一般示波器都帶有這輸出端子，通常是1KHz的方波信號），然后調(diào)節(jié)掃描時(shí)間旋鈕，使波形能夠顯示2個(gè)周期左右。調(diào)節(jié)Y軸增益旋鈕，使波形的峰-峰值在1/2屏幕寬度左右。然后觀察方波的上、下兩邊，看是否水平。如果出現(xiàn)過沖、傾斜等現(xiàn)象，則說明需要調(diào)節(jié)探頭上的匹配電容。用小螺絲刀調(diào)節(jié)之，直到上下兩邊的波形都水平，沒有過沖為止。當(dāng)然，可能由于示波器探頭質(zhì)量的問題，可能調(diào)不到*無失真的效果，這時(shí)只能調(diào)到*效果了。

  　　另外就是示波器上還有一個(gè)選擇量程的小開關(guān)：X10和X1。當(dāng)選擇X1檔時(shí)，信號是沒經(jīng)衰減進(jìn)入示波器的。而選擇X10檔時(shí)，信號是經(jīng)過衰減到1/10再到示波器的。因此，當(dāng)使用示波器的X10檔時(shí)，應(yīng)該將示波器上的讀數(shù)擴(kuò)大10倍（有些示波器，在示波器端可選擇X10檔，以配合探頭使用，這樣在示波器端也設(shè)置為X10檔后，直接讀數(shù)即可）。當(dāng)我們要測量較高電壓時(shí)，就可以利用探頭的X10檔作用，將較高電壓衰減后進(jìn)入示波器。另外，X10檔的輸入阻抗比X1檔要高得多，所以在測試驅(qū)動能力較弱的信號波形時(shí)，把探頭打到X10檔可更好的測量。但要注意，在不確信號電壓高低時(shí)，也應(yīng)當(dāng)先用X10檔測一下，確認(rèn)電壓不是過高后再選用正確有量程檔測量，養(yǎng)成這樣的習(xí)慣是很有必要的，不然，哪天萬一因?yàn)檫@樣損壞了示波器，要后悔就來不及了。經(jīng)常有人提問，為什么用示波器看不到晶振引腳上的波形？一個(gè)可能的原因就是因?yàn)槭褂玫氖翘筋^的X1檔，這時(shí)相當(dāng)于一個(gè)很重的負(fù)載（一個(gè)示波器探頭使用×1檔具有上百pF的電容）并聯(lián)在晶振電路中，導(dǎo)致電路停振了。正確的方法應(yīng)該是使用探頭的X10檔。這是使用中應(yīng)當(dāng)注意的，即或不停振，也有可能因過度改變振蕩條件而看不到真實(shí)的波形了。

  　　示波器探頭在使用時(shí)，要保證地線夾子可靠的接了地（被測系統(tǒng)的地，非真正的大地），不然測量時(shí)，就會看到一個(gè)很大的50Hz的信號，這是因?yàn)槭静ㄆ鞯牡鼐€沒連好，而感應(yīng)到空間中的50Hz工頻市電而產(chǎn)生的。如果你發(fā)現(xiàn)示波器上出現(xiàn)了一個(gè)幅度很強(qiáng)的50Hz信號（我國市電頻率為50Hz，國外有60Hz的），這時(shí)你就要注意下看是否是探頭的地線沒連好。由于示波器探頭經(jīng)常使用，可能會導(dǎo)致地線斷路。檢測方法是：將示波器調(diào)節(jié)到合適的掃描頻率和Y軸增益，然后用手觸摸探頭中間的探針，這時(shí)應(yīng)該能看到波形，通常是一個(gè)50Hz的信號。如果這時(shí)沒有波形，可以檢查是否是探頭中間的信號線是否已經(jīng)損壞。然后，將示波器探頭的地線夾子夾到探頭的探針（或者是鉤子）上，再去用手觸摸探頭的探針，這時(shí)應(yīng)該看不到剛剛的信號（或者幅度很微弱），這就說明探頭的地線是好的，否則地線已經(jīng)損壞。通常是連接夾子那條線斷路，通常重新焊上即可，必要時(shí)可更換，注意連接夾子的地線不要太長，否則容易引入干擾，尤其是在高頻小信號環(huán)境下。示波器探頭的地線夾子應(yīng)該要靠近測量點(diǎn)，尤其是測量頻率較高、幅度較小的信號時(shí)。因?yàn)殚L長的地線，會形成一個(gè)環(huán)，它就像一個(gè)線圈，會感應(yīng)到空間的電磁場。另外系統(tǒng)中的地線中流較大時(shí)，也會在地線上產(chǎn)生壓降，所以示波器探頭的地線應(yīng)該連接到靠近被測試點(diǎn)附近的地上。

•      示波器探頭是連接被測電路和示波器輸入端的電子部件。zui簡單的探頭可以是一根導(dǎo)線，復(fù)雜的探頭由阻容元件和有源器件組成。簡單的探頭沒有采取屏蔽措施很容易受到外界電磁場的干擾，而且本身等效電容較大，造成被測電路的負(fù)載增加，使被測信號失真。