示波器探頭工作原理

示波器探頭不僅僅是把測(cè)試信號(hào)判定以示波器輸入端的一段導(dǎo)線，而且是測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。探頭有很多種類型號(hào)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(duì)輸入信號(hào)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(duì)被測(cè)電路和被測(cè)信號(hào)的影響，接著簡(jiǎn)單介紹幾種探頭及其附近。

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(cè)的信號(hào)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(tái)、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(hào)，其些這類噪聲甚至還能抽向注入到被測(cè)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的接地線和被測(cè)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(tái)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*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(cè)量時(shí)，我們常常以為測(cè)得的電壓和電路中未連入示波器時(shí)是*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(huì)影響被測(cè)電路我以當(dāng)我們分析測(cè)量結(jié)果時(shí)必須考慮探頭的特性以及測(cè)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(cè)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(duì)信號(hào)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(cè)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)。

示波器探頭的等效電路

當(dāng)信號(hào)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(zhǎng)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(cè)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*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(jiǎn)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(hào)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(hào)。圖44示出探頭欠補(bǔ)償，正確補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)挠绊憽?span lang="EN-US">

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(tái)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zui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zui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(hào)電平高達(dá)數(shù)百伏的廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于需要測(cè)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(xiàn)代示波器探頭都裝有編碼系統(tǒng)，使得示波器能夠識(shí)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(cè)量結(jié)果以避免發(fā)生泥淆。而如果使用不帶這種識(shí)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(cè)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(huì)發(fā)生振鈴現(xiàn)象，過大的接地引線電感還會(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(zhǎng)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(duì)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(duì)測(cè)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(cè)高頻和快速上升沿的信號(hào)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(cè)信號(hào)有可能和地線具有相同的參考電位，但并非必然如此，因此在連接探頭的地線時(shí)，一定要注意不要因此而把被測(cè)系統(tǒng)的某一部分短路。另一方面，既使被測(cè)系統(tǒng)和示波器的地線具有相同的參考電位，這也并不意味著可以用安全地線來作信號(hào)返回通路，這是由于安全地線連接走線很長(zhǎng)，具有很大的引線電感，因此不適合作信號(hào)返回通路。這時(shí)一定要用探頭的接地引線來作為信號(hào)的參考地線。

示波器探頭類型

　　我們已經(jīng)研究了10：1和1：1兩種探頭，此外還有多種其它類型的通用探頭。

可切換式示波器探頭

這種探頭將10：1探頭和1：1探頭容為一體，使用起來非常方便，在一般情況下使用10：1檔，因?yàn)樵谶@一檔探頭對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)小，而且頻帶寬。而1：1檔則可在測(cè)量低頻低電平信號(hào)時(shí)使用。

衰減器示波器探頭

另一種常用的衰減器探頭為100：1探頭，其輸入電容較低，典型值為2.5pF，輸入電阻為20MW，探頭的額定電壓值很高，典型值為4KV。因此這種探頭適合于在測(cè)量高壓變換器等電壓很高的場(chǎng)合使用。

FET示波器探頭

這是一種可在高頻下使用的有源探頭，其使用頻率可達(dá)650MHz。其輸入電容可低達(dá)1.4pF，因此特別適合于在具有很高源阻抗的電路中測(cè)量快速瞬變，或者其它要求探頭負(fù)載效應(yīng)zui小的場(chǎng)合。由于采用有源設(shè)計(jì)方案，所以FET探頭也可用于1：1的情況，仍具有極低的輸入電容。

電流示波器探頭

顧名思義，使用這種探頭時(shí)示波器上顯示的是導(dǎo)體中的電流而不是其上的電壓。在這種探頭的頭上裝有一個(gè)電流感應(yīng)變壓器，使用時(shí)只要把探頭卡到電纜導(dǎo)線上而無需切斷電路，探頭獲得的信號(hào)首先變換成電壓，再經(jīng)過比例變換后送到示波器的端，這時(shí)示波器顯示的單位為A/格或mA/格。探頭的頻率范圍可達(dá)70MHz以上。

使用電流探頭以后，具有數(shù)學(xué)處理能力的示波器就可以通過將電壓波形和電流波形相乘來進(jìn)行功率的測(cè)量，詳細(xì)情況見2.3節(jié)。

隔離放大器

隔離放大器雖然不是一般意義下的探頭，但我們可以把它看成是一種用來把示波器測(cè)量點(diǎn)和地電位隔離開來的特殊類?quot;探頭"。這種"探頭"之所以必要是因?yàn)?，除非使用電源隔離變壓器或者電池來為示波器供電，不然的話，示波器的輸入?yún)⒖嫉鼐€總是在地電位，采用隔離放大器還使我們能夠測(cè)量疊加于很大的共模電壓之上的小信號(hào)（見圖47）。隔離放大器的輸入單元整個(gè)由塑料構(gòu)成。并由電池供電，以保證安全。隔離放大器大都應(yīng)用在電力和控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。

圖47 具有共模電壓的電路 帶有命令開關(guān)的示波器探頭

在探頭方面的一項(xiàng)改進(jìn)是針對(duì)使用探頭進(jìn)行大量測(cè)試工作的用戶。在PM3094和PM3394A系列的示波器中，Fluke公司采用了一項(xiàng)稱為探頭命令開關(guān)的新技術(shù)，為此在探頭體上裝了一個(gè)小開關(guān)，使用空虛開關(guān)可以啟動(dòng)預(yù)選的功能，如啟動(dòng)自動(dòng)設(shè)置，或者從設(shè)置存儲(chǔ)器中選擇另一組設(shè)置參數(shù)，在組合示波器中命令開送還可以用來啟動(dòng)"接觸、保持和測(cè)量"功能，即進(jìn)行一次采集，將波形凍結(jié)并根據(jù)存貯的波形進(jìn)行多咱參數(shù)的測(cè)量。

4.3 其它附件

示波器還可配備多種附件，其中有些附件是為了使示波器適合于在某種測(cè)量環(huán)境下使用，例如：接口，上架機(jī)件及軟件包，而另一些附件則有助于方便、有條有理的攜帶示波器及探頭或者有助于專門的測(cè)量工作。

視頻行選擇器

這個(gè)附近件對(duì)于視頻工程師的工作是極理想的工具。它能生成行、場(chǎng)及幀同步脈沖用以觸發(fā)示波器，使得視頻工程師可以對(duì)某一視頻行的各部分進(jìn)行研究。通過開關(guān)可以觀察行的另碼，當(dāng)該行到來時(shí)示波器就觸發(fā)。

某些型號(hào)的示波器，如PM3394A具有內(nèi)置式的視頻行選擇器。這時(shí)，此功能的控制機(jī)構(gòu)則為示波器控制機(jī)構(gòu)的一部分。

終端負(fù)載

當(dāng)測(cè)量低阻抗系統(tǒng)時(shí)，示波器必須配以正確的終端負(fù)載以避免信號(hào)失真。某些示波器的輸入端可以由開關(guān)切換成50Ω的輸入阻抗。對(duì)于沒有這種功能的示波器則可使用這種終端負(fù)載附件來和示波器的輸入端配合使用，終端負(fù)載的衰減系數(shù)有1：1、10：1及100：1多咱。此外還有75Ω規(guī)格的終端負(fù)載可供其它視頻系統(tǒng)使用。

示波器探頭接口

在示波器zui常見的接口是RS-232接口和GPIB接口（詳見2.4節(jié)），使用這些接口可以將數(shù)據(jù)傳給示波器或者從示波器取出，雖然通過接口傳送波形可能只限于數(shù)字存儲(chǔ)示波器，但是模擬示波器也可配備接口以便對(duì)示波器的設(shè)置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

電池和逆變器

這些附件使臺(tái)式示波器可以在沒有市電的場(chǎng)合，如車輛或收音機(jī)中使用，還能使示波器能進(jìn)行對(duì)地浮置的測(cè)量。這也意味著，當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)處于地電位時(shí)，使用這類附件可以避免地回路。

其它配件

攜帶箱可在運(yùn)輸時(shí)保護(hù)示波器，這對(duì)于經(jīng)常外出施行的用戶非常有價(jià)值。

附件盒可以和示波器配套，保存探頭及其它小的附件。由于探頭應(yīng)當(dāng)按照它所配用的示波器來調(diào)整，所以給示波器配以附件盒是非常有用的。

保護(hù)罩可以保護(hù)示波器的前面板不致?lián)p傷和弄臟。

示波器可以使用戶很方便的在實(shí)驗(yàn)室的不同地點(diǎn)經(jīng)常流動(dòng)使用示波器，并且常常還要以有來存放附件及硬考設(shè)備。有些示波器還可以再配備附加的存儲(chǔ)器盒，暈樣當(dāng)示波器開機(jī)后就可以恢復(fù)關(guān)機(jī)關(guān)原來的設(shè)置狀態(tài)。

4.4 軟件

可供用戶使用的軟件包有很多種，其中有些用來進(jìn)行簡(jiǎn)單的波形傳送及在計(jì)算機(jī)中存貯波形；而另一些軟件則有來進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析。下面介紹若干專門為測(cè)度儀器設(shè)計(jì)的軟件包的實(shí)例。

圖48　視頻行選擇器和選擇的視頻行信號(hào)通訊軟件

有多種軟件包可以實(shí)現(xiàn)將波形從示波器傳送到PC機(jī)，并將其存貯在PC機(jī)的硬盤上。示波器捕獲的波形可以和示波器的設(shè)置一起在PC機(jī)的屏幕上顯示出來，而且還能將這些信息存貯在硬盤上便隨時(shí)調(diào)用。

有些軟件包還能將波形由計(jì)算機(jī)送回給示波器作為參考波形使用。如果對(duì)傳送時(shí)間的要求不苛刻，通常使用RS-232接口來實(shí)現(xiàn)示波器與計(jì)算機(jī)之間的連接。這是因?yàn)槊總€(gè)PC機(jī)上都有RS-232接口，使用非常方便。某些軟件包還能以HP-GL文件的形式傳送和存貯波形。使用市場(chǎng)上已有的文字處理軟件可以把這種文件作為圖形直接編入文件中去，本書中大量的屏幕波形圖就是這樣生成的。

另一些軟件包，如Any Wave給示波器增添了寶貴的自動(dòng)測(cè)試功能。例如，可以使用這類程序生成測(cè)試的范圍（樣板），定義出上限和下限的波形曲線，然后就可以用這個(gè)測(cè)試樣板作為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行立即的、自動(dòng)的通過/不通過測(cè)試。測(cè)量的波形可以通過RS-232或者IEEE通訊接口傳送給PC機(jī)，并將不通過的波形自動(dòng)存貯下來。

對(duì)于裝有樣板測(cè)試功能的示波器來說Any Wave軟件也使得測(cè)試包絡(luò)的生成更加容易，使用PC機(jī)的鍵盤和鼠標(biāo)就可以對(duì)包絡(luò)進(jìn)行編輯。如果愿意，也可以從一個(gè)采集到的波形出發(fā)來生成包絡(luò)。

除此之外，Any Wave軟件還可用來為任意波形發(fā)生器生成波形描述數(shù)據(jù)。

存貯的波形還可以用統(tǒng)計(jì)圖表軟件包或者專門的分析軟件來進(jìn)行處理。

編程環(huán)境軟件

這些軟件包能為使用標(biāo)準(zhǔn)編程語言，如"Quick-Basic"或"C"等編寫測(cè)試程序提供一種編程環(huán)境。在這種編程環(huán)境下，應(yīng)用程序的開發(fā)工作變得更加容易、更加有效、更加迅速。使用諸如TestTeam和Lab Windows等軟件包，則可以提供各種儀器的驅(qū)動(dòng)程序，使編程工作進(jìn)一步簡(jiǎn)化，這些軟件包不僅能支持示波器的應(yīng)用，而且有助于在使用諸如多表表、信號(hào)發(fā)生器、程控電源、頻率計(jì)和信號(hào)并關(guān)等多種儀器時(shí)編寫測(cè)試程序。暈樣編寫的程序可以在TestTeam的環(huán)境下執(zhí)行，也可以轉(zhuǎn)換成獨(dú)立的可執(zhí)行文件來控制測(cè)試系統(tǒng)