詳解示波器探頭

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。
3 示波器探頭對測量的影響
3.1 負載效應
所謂負載效應就是在被測電路上接入示波器時(shí)，有時(shí)示波器的輸入電阻會(huì )對被測電路產(chǎn)生影響，致使被測電路的信號發(fā)生變化。若負載效應的影響很大，就不能準確地進(jìn)行波形測量。若要減小負載效應，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，負載效應就越小。
在示波器測量中，另外一種負載效應指的是探頭對被測電路的負載效應，為保證測量的準確性，需要減輕探頭對被測電路的負載效應，不至影響到被測信號，因此應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(shí)（1MHz以下）探頭的負載主要是阻抗作用；高頻時(shí)（10MHz以上）探頭的負載主要是容抗作用。為了減輕探頭對被測電路的負載作用，應選擇高阻抗、低容抗的探頭，例如帶寬100MHz用的無(wú)源探頭，它的輸入電阻是1~10Ω，輸入電容是1~10pF。有源探頭的負載作用優(yōu)于無(wú)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(shí)不應影響它的正常工作，測量值也應和未接測試儀器時(shí)相同。當連接儀器進(jìn)行測量時(shí)，要考慮阻抗對測量準確性的影響，為了保證儀器之間能夠傳送最大的功率，阻抗應該匹配。如果阻抗為純電阻，應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使負載的輸入阻抗與源的輸出阻抗共軛匹配，這時(shí)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(xiàn)的特性阻抗值一致。對于射頻系統，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(zhù)頻率升高，并聯(lián)組合阻抗逐漸變小，將對被測電路形式負載。如1MΩ輸入阻抗，在頻率達到100MHz時(shí)，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(shí)，必須考慮到50Ω輸入阻抗的負載效應比較明顯，此時(shí)最好使用低電容的有源探頭。
3.3 電容負荷
隨著(zhù)信號頻率或轉換速率提高，阻抗的電容成分變成主要因素。結果，電容負荷成為主要問(wèn)題，特別是電容負荷會(huì )影響快速轉換波形的上升時(shí)間和下降時(shí)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
4.1 帶寬和上升時(shí)間
探頭的帶寬是指導致探頭響應輸出幅度下降到70.7%（-3dB）的頻率。上升時(shí)間是指探頭對步進(jìn)函數10~90%的響應，表明了探頭可以從頭部到示波器輸入傳送的快速測量轉換。大多數探頭，帶寬與上升時(shí)間乘積接近0.35。在很多情況下，帶寬由脈沖上升時(shí)間驗證來(lái)保證最小失真。
4.2 電容
探頭頭部電容指標是指探頭探針上的電容，是探頭等效在被測電路測試點(diǎn)或被測設備上的電容。探頭對示波器一端也等效成一個(gè)電容，這個(gè)電容值應該與示波器電容相匹配。對10×和100×探頭，這一電容稱(chēng)為補償電容，它不同于探頭頭部電容。下面將繼續介紹補償電容。

4.3 畸變(Aberration)
畸變是輸入信號預計響應或理想響應的任何幅度偏差。在實(shí)踐中，在快速波形轉換之間通常會(huì )立即發(fā)生畸變，其表現為所謂的“減幅振蕩”。沒(méi)有規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(shuō)明嚴重失真的帶寬和滾降(roll-off)特性。
4.4 衰減系數
當正確接上終端時(shí)，探頭應該有恒定的衰減系數。衰減系數是輸出信號對輸入信號的比值。某些探頭的可能會(huì )有可以選擇的衰減系數，典型的衰減系數是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示波器和探頭配合使用時(shí)，調整探頭中的可變電容，以使頻率達到相對穩定。探頭補償意味著(zhù)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，調節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)的輸入電容卻根據機種的不同而有差異。即使是同一機種，每個(gè)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，相應的也要改變探頭的相位補償。
探頭校準的方法如下：將探頭與探頭校準的方波信號輸出端子相連，探頭的特性為最佳狀態(tài)時(shí)，如圖6中(a)所示，若出現(b)，(c)所示的情況，請用改錐調整探頭上的頻率補償微調電容器進(jìn)行校準。