示波器探頭的詳細介紹

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量?jì)x器。他能把人類(lèi)肉眼看不到的電信號變換成看得見(jiàn)的圖像，從而方便了人們在電現象變化的研究。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(jiǎn)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(lèi)設備或網(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(wèn)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(lèi)：

市場(chǎng)上提供了數百種、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)指標是頻率特性，按頻率劃分探頭的種類(lèi)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(wú)線(xiàn)電頻率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段來(lái)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(lèi)的。

1 無(wú)源電壓探頭

1.1 無(wú)源探頭

無(wú)源探頭由導線(xiàn)和連接器制成，在需要補償或衰減時(shí)，還包括電阻器和電容器。探頭中沒(méi)有有源器件(晶體管或放大器)，因此不需為探頭供電。無(wú)源探頭一般是最堅固、最經(jīng)濟的探頭，它們不僅使用簡(jiǎn)便，而且使用廣泛。

1.2 高阻無(wú)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(wú)源電壓探頭占最大部分。無(wú)源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數1×，10×和100×。在這些無(wú)源探頭中，10×無(wú)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，不能提供標準10×探頭實(shí)現的最優(yōu)性能。

1.3 低阻無(wú)源電壓探頭

大多數高阻無(wú)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(wú)源電壓探頭(又稱(chēng)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)境中設計的，這些環(huán)境一般是高速設備檢定、微波通信和時(shí)域反射計(TDR)。

1.4 無(wú)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(guò)典型的通用10×無(wú)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(lài)有源器件，如晶體管。最常見(jiàn)的情況下，有源設備是一種場(chǎng)效應晶體管(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)生負荷效應的風(fēng)險要低得多。另外，由于低電容降低了地線(xiàn)影響，可以使用更長(cháng)的地線(xiàn)。

有源FET探頭沒(méi)有無(wú)源探頭的電壓范圍。有源探頭的線(xiàn)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(chēng)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提供很高的共模抑制比(CMRR)。

3 電流探頭

從原理上來(lái)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(zhù)電流方向的變化，產(chǎn)生電場(chǎng)的變化，并感應出電壓。交流電流探頭屬于無(wú)源設備，無(wú)需外接供電。

3.2 直流電流探頭

傳統電流探頭只能測量交流交流信號，因為穩定的直流電流不能在互感器中感應電流。然而，利用霍爾效應，電流偏流的半導體設備將產(chǎn)生與直流電場(chǎng)對應的電壓。所以，直流電流探頭是一種有源設備，需要外接供電。

所以電流探頭基本上分成兩類(lèi)：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭通常是無(wú)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(guān)察分析數字波形的模擬特點(diǎn)時(shí)，需要用到邏輯探頭，為隔離確切地成因，數字設計人員通常需要查看在具體邏輯條件下發(fā)生的特定數據脈沖，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

由于示波器的應用范圍十分廣泛，所以除了上述的探頭類(lèi)型外還有各種專(zhuān)用探頭，這些專(zhuān)業(yè)探頭根據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換器件的組合，可直接測量光器件和光纖傳輸的光信號。

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

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。

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(xiàn)相聯(lián)。否則在懸浮狀態(tài)下，示波器與其他設備或大地間的電位差可能導致觸電或損壞示波器、探頭或其他設備。

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線(xiàn)與被測點(diǎn)的位置鄰近。接地導線(xiàn)過(guò)長(cháng)，可能會(huì )引起振鈴或過(guò)沖等波形失真。

3. 為避免接地導線(xiàn)影響對高頻信號的測試，建議使用探頭的專(zhuān)用接地附件。如圖8所示為典型通用電壓探頭所帶有的標準測試附件。

4. 為避免測量誤差，請務(wù)必在測量前對探頭進(jìn)行檢驗和校準，探頭衰減補償的校準原理和方法我們在前面已經(jīng)介紹過(guò)，這里不再贅述。

5. 對于高壓測試，要使用專(zhuān)用高壓探頭，分清楚正負極后，確認連接無(wú)誤才能通電開(kāi)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(chēng)差分測量，要使用專(zhuān)業(yè)的差分探頭。

7 總結

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到最小，并希望對測量值保持足夠的信號保真度。如果探頭以任何方式改變信號或改變電路運行方式，示波器會(huì )看到實(shí)際信號的失真結果，進(jìn)而可能導致錯誤的測量結果，或者誤導性的測量結果。通過(guò)以上介紹可知，探頭的選購和正確使用有許多值得注意的地方，只有與示波器和被測電路都匹配良好的探頭才是您該選擇和使用的探頭。