示波器探頭的詳細(xì)介紹
示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。他能把人類肉眼看不到的電信號(hào)變換成看得見的圖像,從而方便了人們?cè)陔姮F(xiàn)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。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/193081.htm一.示波器探頭簡(jiǎn)介
示波器探頭是在測(cè)試點(diǎn)或信號(hào)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(hào)源連接到示波器輸入上的某類設(shè)備或網(wǎng)絡(luò),它必須在信號(hào)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)鍵的問題:物理連接、對(duì)電路操作的影響和信號(hào)傳輸。
二.示波器探頭的分類:
市場(chǎng)上提供了數(shù)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(biāo)是頻率特性,按頻率劃分探頭的種類有其方便之處,但是示波器探頭的頻率覆蓋范圍有限很難按無線電頻率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段來劃分。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(cè)量對(duì)象進(jìn)行分類的。
1 無源電壓探頭
1.1 無源探頭
無源探頭由導(dǎo)線和連接器制成,在需要補(bǔ)償或衰減時(shí),還包括電阻器和電容器。探頭中沒有有源器件(晶體管或放大器),因此不需為探頭供電。無源探頭一般是最堅(jiān)固、最經(jīng)濟(jì)的探頭,它們不僅使用簡(jiǎn)便,而且使用廣泛。
1.2 高阻無源電壓探頭
從實(shí)際需要出發(fā),使用最多的是電壓探頭,其中高阻無源電壓探頭占最大部分。無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)1×,10×和100×。在這些無源探頭中,10×無源電壓探頭是最常用的探頭。對(duì)信號(hào)幅度是1V峰峰值或更低的應(yīng)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(hào)混合(幾十毫伏到幾十伏)的應(yīng)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)10×探頭實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)性能。
1.3 低阻無源電壓探頭
大多數(shù)高阻無源探頭的帶寬范圍在小于100MHz到500MHz或更高的帶寬之間。而低阻無源電壓探頭(又稱為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(dá)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(shè)計(jì)的,這些環(huán)境一般是高速設(shè)備檢定、微波通信和時(shí)域反射計(jì)(TDR)。
1.4 無源高壓探頭
“高壓”是相對(duì)的概念。從探頭角度看,我們可以把高壓定義為超過典型的通用10×無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(qiáng)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有源器件,如晶體管。最常見的情況下,有源設(shè)備是一種場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)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(guī)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(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量,而產(chǎn)生負(fù)荷效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)要低得多。另外,由于低電容降低了地線影響,可以使用更長(zhǎng)的地線。
有源FET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動(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(hào)是互相參考,而不是參考接地的信號(hào)。差分探頭可測(cè)量浮置器件的信號(hào),實(shí)質(zhì)上它是兩個(gè)對(duì)稱的電壓探頭組成,分別對(duì)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(nèi)提供很高的共模抑制比(CMRR)。
3 電流探頭
從原理上來看,用電壓探頭測(cè)得電壓值,除以被測(cè)阻抗值,很容易就可以獲得電流值。然而,實(shí)際上這種測(cè)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(cè)得電流波形,方法是采用電流互感器輸入,信號(hào)電流磁通經(jīng)互感變壓器變換成電壓,再由探頭內(nèi)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,隨著電流方向的變化,產(chǎn)生電場(chǎng)的變化,并感應(yīng)出電壓。交流電流探頭屬于無源設(shè)備,無需外接供電。
3.2 直流電流探頭
傳統(tǒng)電流探頭只能測(cè)量交流交流信號(hào),因?yàn)榉€(wěn)定的直流電流不能在互感器中感應(yīng)電流。然而,利用霍爾效應(yīng),電流偏流的半導(dǎo)體設(shè)備將產(chǎn)生與直流電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電壓。所以,直流電流探頭是一種有源設(shè)備,需要外接供電。
所以電流探頭基本上分成兩類:即AC電流探頭和AC/DC電流探頭,AC電流探頭通常是無源探頭,AC/DC電流探頭通常是有源探頭。
4 邏輯探頭
使用示波器觀察分析數(shù)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(shù)字設(shè)計(jì)人員通常需要查看在具體邏輯條件下發(fā)生的特定數(shù)據(jù)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(shù)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(yīng)用范圍十分廣泛,所以除了上述的探頭類型外還有各種專用探頭,這些專業(yè)探頭根據(jù)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(zhuǎn)換器件的組合,可直接測(cè)量光器件和光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)。
溫度探頭是普通電壓探頭與溫度傳感器的組合,可直接測(cè)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(cè)量多種物理量。
三.示波器探頭使用注意事項(xiàng)
將待測(cè)信號(hào)正確接入示波器是測(cè)試工作的第一步,這里我們主要介紹探頭與被測(cè)電路連接時(shí)的注意事項(xiàng)。
1. 探頭與被測(cè)電路連接時(shí),探頭的接地端務(wù)必與被測(cè)電路的地線相聯(lián)。否則在懸浮狀態(tài)下,示波器與其他設(shè)備或大地間的電位差可能導(dǎo)致觸電或損壞示波器、探頭或其他設(shè)備。
2. 測(cè)量建立時(shí)間短的脈沖信號(hào)和高頻信號(hào)時(shí),請(qǐng)盡量將探頭的接地導(dǎo)線與被測(cè)點(diǎn)的位置鄰近。接地導(dǎo)線過長(zhǎng),可能會(huì)引起振鈴或過沖等波形失真。
3. 為避免接地導(dǎo)線影響對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)試,建議使用探頭的專用接地附件。如圖8所示為典型通用電壓探頭所帶有的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試附件。
4. 為避免測(cè)量誤差,請(qǐng)務(wù)必在測(cè)量前對(duì)探頭進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn),探頭衰減補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)原理和方法我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)介紹過,這里不再贅述。
5. 對(duì)于高壓測(cè)試,要使用專用高壓探頭,分清楚正負(fù)極后,確認(rèn)連接無誤才能通電開始測(cè)量。
6. 對(duì)于兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)都不處于接地電位時(shí),要進(jìn)行“浮動(dòng)”測(cè)量,也稱差分測(cè)量,要使用專業(yè)的差分探頭。
7 總結(jié)
探頭對(duì)示波器測(cè)量至關(guān)重要,所以要求探頭對(duì)探測(cè)的電路影響必須達(dá)到最小,并希望對(duì)測(cè)量值保持足夠的信號(hào)保真度。如果探頭以任何方式改變信號(hào)或改變電路運(yùn)行方式,示波器會(huì)看到實(shí)際信號(hào)的失真結(jié)果,進(jìn)而可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果,或者誤導(dǎo)性的測(cè)量結(jié)果。通過以上介紹可知,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(cè)電路都匹配良好的探頭才是您該選擇和使用的探頭。
評(píng)論