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(dǎo)線，而且是測量系統(tǒng)的重要組成部分。探頭有很多種類型號各有其沒的特性，以適應(yīng)各種不同的專門工作的擊破要，其中一類稱為有源探頭，探頭內(nèi)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為無源探頭，其中只包含無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源探頭，說明共主要技術(shù)指標(biāo)以及探頭對被測電路和被測信號的影響，接著簡單介紹幾種專用探頭及其附近。
屏蔽

　　示波器探頭的一個(gè)重要任務(wù)是確保只有希望觀測的信號才在示波器上出現(xiàn)，如果我們僅僅使用一面導(dǎo)線來代替探頭，那到它的作用就好象是一根天線，可以從無線電臺、熒光燈，電機(jī)、50或60Hz的電源的交流聲甚至當(dāng)?shù)貥I(yè)余無線電愛好者那里接收到很多不希望的干擾信號，其些這類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們于探頭尖端的接地線和被測電路連接，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，那么它們組合起來的響應(yīng)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(tǒng)的帶寬，加大了顯示的上升時(shí)間tr見第一章1.3節(jié)上升時(shí)間。

使用1.3節(jié)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(tǒng)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(jù)4.95ns的系統(tǒng)上升時(shí)間求得，系統(tǒng)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(guī)定的示波器帶寬，從上述的計(jì)算可以看出，視覺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(fù)載效應(yīng)

　　當(dāng)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(fù)載，所以連入探頭后就會影響被測電路我以當(dāng)我們分析測量結(jié)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有串聯(lián)的電阻，這類探頭主要就由一段電纜和一個(gè)測試頭構(gòu)成，因此，在其工作頻率范圍或有用帶寬之內(nèi)，探頭對信號沒有衰減作用。這類探頭稱為1：1或X1探頭。由于這類探頭在測試點(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(fù)載效應(yīng)。見圖42。

示波器探頭的等效電路

　　當(dāng)信號頻率嗇時(shí)，探頭的容性負(fù)載效應(yīng)京戲得更加顯著。由于電纜的類型和長度的不同以及探頭本身構(gòu)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(fù)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)探頭在此頻率無法使用。
衰減式探頭減小了負(fù)載效應(yīng)

　　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(fù)載效應(yīng)。然而，這就意味著輸入電壓不能完全加到示波器的輸入端，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在已經(jīng)引入了一個(gè)分壓器。

　　給出了一處簡化的探頭等效電路，Rp和Rs構(gòu)成了一個(gè)10：1的分壓器，Rs為示波器的輸入阻抗。調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容C補(bǔ)償使得探頭和示波器械相匹配，視覺保證了在探頭的尖端獲得正確的頻率響應(yīng)曲線，宋一來就使得這種探頭的頻率響應(yīng)比1：1探頭頻率響應(yīng)要寬得多。

10：1示波器探頭電路圖
　　示波器的標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)償

　　一個(gè)實(shí)際的10：1探頭具有幾個(gè)可調(diào)的電容和電阻以便在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得正確的頻率響應(yīng)，這些可調(diào)元件的大多數(shù)都是在制造探頭時(shí)由工廠調(diào)好的。只有一個(gè)微調(diào)電容留給用戶去調(diào)節(jié)。這個(gè)電容稱為低頻補(bǔ)償電容，應(yīng)當(dāng)通過調(diào)節(jié)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(xiàng)調(diào)節(jié)工作，示波器的這個(gè)輸出端標(biāo)有"探頭調(diào)節(jié)"、"校準(zhǔn)器""CAL"或者"探頭校準(zhǔn)"等標(biāo)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(dāng)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(xiàn)方波信號。圖44示出探頭欠補(bǔ)償，正確補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)挠绊憽?BR>

在2kHz方波和1MHz正弦波之下觀察不同探頭補(bǔ)償情況的影響。

　　可以看出，在較高的的頻率下探頭過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償和欠被償情況下1MHz正弦波的幅度是很不準(zhǔn)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(bǔ)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(yīng)當(dāng)按照示波器上要使用的通道來進(jìn)行探頭補(bǔ)償調(diào)整工作。

示波器探頭最大輸入電壓

　　多數(shù)通用10：1探頭的構(gòu)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(dá)數(shù)百伏的廣泛的應(yīng)用場合，對于需要測量更高電壓的場面合，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(xiàn)代示波器探頭都裝有編碼系統(tǒng)，使得示波器能夠識別與它相連年的探頭類型。 從而使示波器能夠高速垂直偏轉(zhuǎn)指示值及所有幅度測量結(jié)果以避免發(fā)生泥淆。而如果使用不帶這種識別系統(tǒng)的探頭，則用戶就不得不自己為所有波形顯示和測量結(jié)果重新定檣以便反映出探頭的衰減量。

接地引線電感

　　說明探頭的接地引線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發(fā)生振鈴現(xiàn)象，過大的接地引線電感還會使示波器顯示的上升時(shí)間變差，圖46顯示出使用不同長度的接地引線時(shí)，連至示波器的快速上升沿脈沖的顯示波形。

接地引線對脈沖響應(yīng)的影響

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

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