示波器探頭原理-示波器探頭的工作原理

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(xiàn)，而且是測量系統的重要組成部分。探頭有很多種類(lèi)型號各有其沒(méi)的特性，以適應各種不同的專(zhuān)門(mén)工作的擊破要，其中一類(lèi)稱(chēng)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(chēng)為無(wú)源探頭，其中只包含無(wú)源元件如電阻和電容。這種探頭通常對輸入信號進(jìn)行衰減。

　　我們將首先集中討論通用無(wú)源探頭，說(shuō)明共主要技術(shù)指標以及探頭對被測電路和被測信號的影響，接著(zhù)簡(jiǎn)單介紹幾種專(zhuān)用探頭及其附近。
屏蔽

　　示波器探頭的一個(gè)重要任務(wù)是確保只有希望觀(guān)測的信號才在示波器上出現，如果我們僅僅使用一面導線(xiàn)來(lái)代替探頭，那到它的作用就好象是一根天線(xiàn)，可以從無(wú)線(xiàn)電臺、熒光燈，電機、50或60Hz的電源的交流聲甚至當地業(yè)余無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者那里接收到很多不希望的干擾信號，其些這類(lèi)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(guò)們于探頭尖端的接地線(xiàn)和被測電路連接，從而保證了很好的屏蔽。

示波器探頭帶寬

　　和示波器一們，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(gè)100MHz的探頭，那么它們組合起來(lái)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(shí)間tr見(jiàn)第一章1.3節上升時(shí)間。

使用1.3節的公式
　　tr(ns)=350/BW(MHz)
　　如果示波器和探頭各自均為100MHz帶寬，其上升時(shí)間均為tr=3.5ns 。則有效系統上升時(shí)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(shí)間求得，系統帶寬為350/4.95MHz=70.7MHz。
　　Fluke公司給所有示波器配備的探頭都能使示波器保證在探頭尖端獲得規定的示波器帶寬，從上述的計算可以看出，視覺(jué)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(jìn)行測量時(shí)，我們常常以為測得的電壓和電路中未連入示波器時(shí)是完全一樣的。

　　實(shí)際上，每個(gè)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(huì )影響被測電路我以當我們分析測量結果時(shí)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(méi)有串聯(lián)的電阻，這類(lèi)探頭主要就由一段電纜和一個(gè)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(méi)有衰減作用。這類(lèi)探頭稱(chēng)為1：1或X1探頭。由于這類(lèi)探頭在測試點(diǎn)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。見(jiàn)圖42。

示波器探頭的等效電路

　　當信號頻率嗇時(shí)，探頭的容性負載效應京戲得更加顯著(zhù)。由于電纜的類(lèi)型和長(cháng)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(gè)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(gè)探頭在此頻率無(wú)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(gè)和示波器輸入阻抗相串聯(lián)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(zhù)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(jīng)引入了一個(gè)分壓器。

　　給出了一處簡(jiǎn)化的探頭等效電路，Rp和Rs構成了一個(gè)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(jué)保證了在探頭的尖端獲得正確的頻率響應曲線(xiàn)，宋一來(lái)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。

10：1示波器探頭電路圖
　　示波器的標準輸入電阻為1MΩ。這就要求在探頭中串聯(lián)9MΩ的電阻，使得在低頻時(shí)探頭尖端的輸入阻抗為10MΩ。
探頭補償

　　一個(gè)實(shí)際的10：1探頭具有幾個(gè)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(shí)由工廠(chǎng)調好的。只有一個(gè)微調電容留給用戶(hù)去調節。這個(gè)電容稱(chēng)為低頻補償電容，應當通過(guò)調節這個(gè)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(jìn)行這項調節工作，示波器的這個(gè)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(gè)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(shí)，就能在示流器屏幕上再現方波信號。圖44示出探頭欠補償，正確補償和過(guò)補償的影響。

在2kHz方波和1MHz正弦波之下觀(guān)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(guò)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(lái)進(jìn)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(chǎng)合，對于需要測量更高電壓的場(chǎng)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(lèi)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(fā)生泥淆。而如果使用不帶這種識別系統的探頭，則用戶(hù)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(xiàn)電感

　　說(shuō)明探頭的接地引線(xiàn)電感如何與探頭及示波器的輸入電容形成串聯(lián)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(xiàn)電感的示波器探頭等效電路

　　像其它諧振電路一親，如果在探頭上加入階躍電壓則此諧振電路也會(huì )發(fā)生振鈴現象，過(guò)大的接地引線(xiàn)電感還會(huì )使示波器顯示的上升時(shí)間變差，圖46顯示出使用不同長(cháng)度的接地引線(xiàn)時(shí)，連至示波器的快速上升沿脈沖的顯示波形。

接地引線(xiàn)對脈沖響應的影響

　　從圖中我們可以清楚的看到接地引線(xiàn)電感對測量結果的影響，所以一定要使探頭的接地引線(xiàn)盡可能的短，特別是在測高頻和快速上升沿的信號時(shí)尤應注意。
安全接地

　　為保證電氣上的安全，多數示波器都通過(guò)電源線(xiàn)與安全地線(xiàn)相連。被測信號有可能和地線(xiàn)具有相同的