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示波器探头技术指标选型和与使用主要事项

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。他能把人类肉眼看不到的电信号变换成看得见的图像,从而方便了人们在电现象变化的研究。示波器不可或缺的一个元件就是示波器探头。
 
一.示波器探头简介
 
示波器探头是在测试点或信号源和示波器之间建立了一条物理和电子连接;实际上,示波器探头是把信号源连接到示波器输入上的某类设备或网络,它必须在信号源和示波器输入之间提供足够方便优质的连接。连接的充分程度有三个关键的问题:物理连接、对电路操作的影响和信号传输。
 
二.示波器探头的分类:
 
市场上提供了数百种、甚至上千种不同的示波器探头。示波器探头的一个技术指标是频率特性,按频率划分探头的种类有其方便之处,但是示波器探头的频率覆盖范围有限很难按无线电频率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段来划分。示波器探头是所有探头中的一种,最常使用的探头是电压电流探头,而探头通常是按测量对象进行分类的。
 
1 无源电压探头
 
1.1 无源探头
 
无源探头由导线和连接器制成,在需要补偿或衰减时,还包括电阻器和电容器。探头中没有有源器件(晶体管或放大器),因此不需为探头供电。无源探头一般是最坚固、最经济的探头,它们不仅使用简便,而且使用广泛。
 
1.2 高阻无源电压探头
 
从实际需要出发,使用最多的是电压探头,其中高阻无源电压探头占最大部分。无源电压探头为不同电压范围提供了各种衰减系数1×,10×和100×。在这些无源探头中,10×无源电压探头是最常用的探头。对信号幅度是1V峰峰值或更低的应用,1×探头可能要比较适合,甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信号混合(几十毫伏到几十伏)的应用中,可切换1×/10×探头要方便得多。但是,可切换1×/10×探头在本质上是一个产品中的两个不同探头,不仅其衰减系数不同,而且其带宽、上升时间和阻抗(R和C)特点也不同。因此,这些探头不能与示波器的输入完全匹配,不能提供标准10×探头实现的最优性能。
 
1.3 低阻无源电压探头
 
大多数高阻无源探头的带宽范围在小于100MHz到500MHz或更高的带宽之间。而低阻无源电压探头(又称为50欧姆探头、Zo探头、分压器探头)的频率特性很好,采用匹配同轴电缆的探头,带宽可达10GHz和100皮秒或更快的上升时间。这种探头是为用于50欧姆环境中设计的,这些环境一般是高速设备检定、微波通信和时域反射计(TDR)。
 
1.4 无源高压探头
 
“高压”是相对的概念。从探头角度看,我们可以把高压定义为超过典型的通用10×无源探头可以安全处理的电压的任何电压。高压探头要求具有良好的绝缘强度,保证使用者和示波器的安全。
 
2.有源电压探头
 
2.1 有源探头
 
有源探头包含或依赖有源器件,如晶体管。最常见的情况下,有源设备是一种场效应晶体管(FET),它提供了非常低的输入电容,低电容会在更宽的频段上导致高输入阻抗。可以从下面的Xc公式中看出:
 
2.2 有源FET探头
 
有源FET探头的规定带宽一般在500MHz ~4GHz之间。除带宽更高外,有源FET探头的高输入阻抗允许在阻抗未知的测试点上进行测量,而产生负荷效应的风险要低得多。另外,由于低电容降低了地线影响,可以使用更长的地线。
 
有源FET探头没有无源探头的电压范围。有源探头的线性动态范围一般在±0.6V到±10V之间。
 
2.3 有源差分探头
 
差分信号是互相参考,而不是参考接地的信号。差分探头可测量浮置器件的信号,实质上它是两个对称的电压探头组成,分别对地段有良好绝缘和较高阻抗。差分探头可以在更宽的频率范围内提供很高的共模抑制比(CMRR)。
 
3 电流探头
 
从原理上来看,用电压探头测得电压值,除以被测阻抗值,很容易就可以获得电流值。然而,实际上这种测量引入的误差很大,所以一般不采用电压换算电流的方法。电流探头可以精确测得电流波形,方法是采用电流互感器输入,信号电流磁通经互感变压器变换成电压,再由探头内的放大器放大后送到示波器。
 
3.1 交流电流探头
 
交流电流在互感器中,随着电流方向的变化,产生电场的变化,并感应出电压。交流电流探头属于无源设备,无需外接供电。
 
3.2 直流电流探头
 
传统电流探头只能测量交流交流信号,因为稳定的直流电流不能在互感器中感应电流。然而,利用霍尔效应,电流偏流的半导体设备将产生与直流电场对应的电压。所以,直流电流探头是一种有源设备,需要外接供电。
 
所以电流探头基本上分成两类:即AC电流探头和AC/DC电流探头,AC电流探头通常是无源探头,AC/DC电流探头通常是有源探头。
 
4 逻辑探头
 
使用示波器观察分析数字波形的模拟特点时,需要用到逻辑探头,为隔离确切地成因,数字设计人员通常需要查看在具体逻辑条件下发生的特定数据脉冲,这要求逻辑触发功能。如图3为逻辑探头示意图,可以在大多数示波器中增加这种逻辑出发功能。
 
5 其他探头
 
由于示波器的应用范围十分广泛,所以除了上述的探头类型外还有各种专用探头,这些专业探头根据其前端传感器的不同而有不同的功用,下面我们介绍其中的两种,仅供读者了解。
 
光电探头在原理上是普通电压探头与光电转换器件的组合,可直接测量光器件和光纤传输的光信号。
 
温度探头是普通电压探头与温度传感器的组合,可直接测量物体的温度。温度探头属传感器探头的一种,各种传感器探头与示波器配合可测量多种物理量。
 
三.示波器探头使用注意事项
 
将待测信号正确接入示波器是测试工作的第一步,这里我们主要介绍探头与被测电路连接时的注意事项。
 
1. 探头与被测电路连接时,探头的接地端务必与被测电路的地线相联。否则在悬浮状态下,示波器与其他设备或大地间的电位差可能导致触电或损坏示波器、探头或其他设备。
 
2. 测量建立时间短的脉冲信号和高频信号时,请尽量将探头的接地导线与被测点的位置邻近。接地导线过长,可能会引起振铃或过冲等波形失真。
 
3. 为避免接地导线影响对高频信号的测试,建议使用探头的专用接地附件。如图8所示为典型通用电压探头所带有的标准测试附件。
 
4. 为避免测量误差,请务必在测量前对探头进行检验和校准,探头衰减补偿的校准原理和方法我们在前面已经介绍过,这里不再赘述。
 
5. 对于高压测试,要使用专用高压探头,分清楚正负极后,确认连接无误才能通电开始测量。
 
6. 对于两个测试点都不处于接地电位时,要进行“浮动”测量,也称差分测量,要使用专业的差分探头。
 
7 总结
 
探头对示波器测量至关重要,所以要求探头对探测的电路影响必须达到最小,并希望对测量值保持足够的信号保真度。如果探头以任何方式改变信号或改变电路运行方式,示波器会看到实际信号的失真结果,进而可能导致错误的测量结果,或者误导性的测量结果。通过以上介绍可知,探头的选购和正确使用有许多值得注意的地方,只有与示波器和被测电路都匹配良好的探头才是您该选择和使用的探头。
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