示波器探頭的各種功能和工作原理

任何使用示波器的人都會(huì)接觸到探頭。通常，我們所說的示波器用于測(cè)量電壓信號(hào)(也有光或電流，它們首先通過相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換成電壓測(cè)量)。探頭的主要功能是將測(cè)量的電壓信號(hào)從測(cè)量點(diǎn)引入示波器進(jìn)行測(cè)量

大多數(shù)人會(huì)更加關(guān)注示波器本身的使用，但忽略了探頭的選擇。事實(shí)上，探頭介于被測(cè)信號(hào)和示波器之間的中間環(huán)節(jié)。如果信號(hào)在探頭處失真，那么無論示波器做得多好，它都是無用的。事實(shí)上，探頭的設(shè)計(jì)比示波器要困難得多，因?yàn)槭静ㄆ鲀?nèi)部可以很好地屏蔽，不需要經(jīng)常拆卸。除了滿足檢測(cè)方便的要求外，探頭還應(yīng)確保至少與示波器相同的帶寬要困難得多。因此，當(dāng)**個(gè)高帶寬的實(shí)時(shí)示波器**次出現(xiàn)時(shí)，沒有相應(yīng)的探頭，一段時(shí)間。

要選擇合適的探頭，首先要了解探頭對(duì)測(cè)試的影響，其中包括兩部分的含義：1/探頭對(duì)被測(cè)電路的影響；2/探頭引起的信號(hào)失真。理想的探頭應(yīng)該對(duì)被測(cè)電路和信號(hào)沒有失真影響。不幸的是，沒有真正的探頭能同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，通常需要在這兩個(gè)參數(shù)之間做一些折衷。

為了考慮探頭對(duì)測(cè)量的影響，我們通?？梢院?jiǎn)單地將探頭模型等同于R、L、C模型，并將該模型與測(cè)量電路進(jìn)行分析。

首先，探頭本身有輸入電阻。與萬用表測(cè)量電壓的原理一樣，為了盡可能減少對(duì)被測(cè)電路的影響，探頭本身的輸入電阻RProbe應(yīng)盡可能大。然而，由于RProbe不可能無限大，它將與被測(cè)電路產(chǎn)生分壓。實(shí)際測(cè)量的電壓可能不是探頭點(diǎn)上之前的真實(shí)電壓，這在某些電源或放大器電路的測(cè)試中經(jīng)常遇到。為了避免探頭電阻負(fù)載的影響，RProbe通常需要大于Rsource和Rload的10倍以上。大多數(shù)探頭的輸入阻抗在幾十k歐姆到幾十兆歐姆之間。

其次，探頭本身有輸入電容器。這個(gè)電容器不是故意做的，而是探頭的寄生電容器。這種寄生電容器也是影響探頭帶寬的最重要因素，因?yàn)樗鼤?huì)衰減高頻成分，減緩信號(hào)的上升。通常高帶寬的探頭寄生電容相對(duì)較小。理想情況下，Cprobe應(yīng)該是0，但實(shí)際上不可能。無源探頭的輸入電容一般在10pf到幾百pf之間，帶寬較高的有源探頭的輸入電容一般在0.2pf到幾pf之間。

其次，探頭輸入端也會(huì)受到電感的影響。探頭的輸入電阻和電容更容易理解，但探頭輸入端的電感往往被忽略，尤其是在高頻測(cè)量中。電感從何而來？我們知道，如果有電線，就會(huì)有電感。探頭和被測(cè)電路之間必須有一段電線連接。同時(shí)，信號(hào)的回流必須通過探頭的地線。通常，1mm探頭的地線會(huì)有1nH左右的電感。信號(hào)和地線越長(zhǎng)，電感值越大。探頭的寄生電感和寄生電容形成諧振電路。當(dāng)電感值過大時(shí)，在輸入信號(hào)的鼓勵(lì)下可能會(huì)產(chǎn)生高頻諧振，導(dǎo)致信號(hào)失真。因此，在高頻測(cè)試中，需要嚴(yán)格控制信號(hào)和地線的長(zhǎng)度，否則很容易產(chǎn)生振鈴。

在了解探頭的結(jié)構(gòu)之前，我們需要了解示波器輸入接口的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗沁B接探頭的地方。示波器的輸入接口電路和探頭共同構(gòu)成了我們的探測(cè)系統(tǒng)。

大多數(shù)示波器的輸入接口是BNC或與BNC兼容的。示波器的輸入端有1M歐姆或50歐姆的匹配電阻。示波器的探頭有很多種，但總是只有1M歐姆或50歐姆，不同類型的探頭需要不同的匹配電阻。

從電壓測(cè)量的角度來看，示波器可以使用1M歐姆的高輸入阻抗，但由于高阻抗電路的帶寬容易受到寄生電容的影響。因此，1M歐姆的輸入阻抗被廣泛應(yīng)用于500M帶寬以下的測(cè)量。50歐姆的傳輸線通常用于更高頻率的測(cè)量，因此示波器的50歐姆匹配主要用于高頻測(cè)量。

傳統(tǒng)上，市場(chǎng)上100MHz帶寬以下的示波器大多只有1M歐姆輸入，因?yàn)樗鼈儾挥糜诟哳l測(cè)量；100MHz~1GHz帶寬的示波器大多有1M歐姆和50歐姆的切換選擇，同時(shí)考慮高頻和低頻測(cè)量；2GHz或更高帶寬的示波器大多只有50歐姆輸入，因?yàn)樗鼈冎饕糜诟哳l測(cè)量。然而，隨著市場(chǎng)需求，一些2GHz以上的示波器也提供1M歐姆和50歐姆的輸入切換。

廣義上說，測(cè)試電纜也是一種探頭，如BNC或SMA電纜，它既便宜又高。然而，在使用測(cè)試電纜連接時(shí)，BNC或SMA的接口也需要在測(cè)試電路上連接，因此應(yīng)用場(chǎng)合有限，主要用于射頻和微波信號(hào)測(cè)試。對(duì)于數(shù)字或通用信號(hào)的測(cè)試，仍需要一個(gè)特殊的探頭。

根據(jù)是否需要供電，示波器探頭可分為無源探頭和有源探頭，根據(jù)測(cè)量信號(hào)類型可分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。所謂的無源探頭是指由無源設(shè)備組成的整個(gè)探頭，包括電阻、電容器、電纜等。；有源探頭一般有放大器，需要供電，所以稱為有源探頭。

根據(jù)輸入阻抗的大小，無源探頭分為高阻無源探頭和低阻無源探頭。

高阻無源探頭是我們通常所說的無源探頭，應(yīng)用最廣泛?；旧?，每個(gè)使用過示波器的人都接觸過這種探頭。當(dāng)高阻無源探頭與示波器連接時(shí)，示波器端的輸入阻抗要求為1M歐姆。以下是10:1高阻無源探頭的原理框圖。

為了方便測(cè)量，探頭通常長(zhǎng)約1米。如果沒有匹配電路，很難想象探頭能提供數(shù)百兆Hz的帶寬。示波器的輸入寄生電容器也會(huì)影響帶寬。為了改善探頭的高頻對(duì)應(yīng)性，探頭前端將有相應(yīng)的匹配電路，最典型的是RProbe和CProbe的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。探頭在帶內(nèi)產(chǎn)生平坦增益的條件之一是滿足RProbe*CProbe=RSCope*CSCope。如果你感興趣，你可以自己推。正如我們前面介紹的，CSCope是示波器的寄生電容，所以它只能控制在一定范圍內(nèi)，但不能準(zhǔn)確控制，也就是說，CSCope的值在不同的示波器或示波器的不同通道之間會(huì)有所不同。為了補(bǔ)償不同通道CSCope的變化，探頭連接器的一端通常至少有一個(gè)可調(diào)電容Comp。當(dāng)探頭連接到不同的通道時(shí)，可以通過調(diào)整Ccomp來補(bǔ)償Cscope的變化。幾乎所有的示波器都提供低頻方波輸出，可以通過測(cè)量探頭來調(diào)整。

RProbe在改善頻率響應(yīng)的同時(shí)，會(huì)與示波器輸入電阻產(chǎn)生分壓。所謂10:1分壓，是指示波器實(shí)際測(cè)量的電壓是探頭前端電壓的1/10，即信號(hào)通過探頭會(huì)有10倍的衰減。相對(duì)簡(jiǎn)單的探頭需要手動(dòng)設(shè)置示波器的探頭衰減倍數(shù)來正確顯示。更多的探頭在與示波器的連接端有一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)的針腳。當(dāng)插入探頭時(shí)，示波器可以讀取探頭的衰減比，并自動(dòng)調(diào)整顯示比。

高阻無源探頭有兩種特殊類型。一種是高壓探頭，其衰減比可達(dá)100:1或1000:1，因此測(cè)量電壓范圍很大；另一種是1:1探頭，即信號(hào)進(jìn)入示波器而不衰減。與10:1探頭不同，示波器需要放大顯示器，因此示波器本身的噪聲不會(huì)放大，測(cè)量噪聲會(huì)小得多，廣泛應(yīng)用于小信號(hào)和電源紋波的測(cè)量場(chǎng)合。

高阻無源探頭具有成本低、輸入阻抗高、測(cè)量范圍大、連接方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于一般測(cè)試場(chǎng)合。然而，隨著測(cè)試頻率的提高，各種二級(jí)寄生參數(shù)難以控制，單靠簡(jiǎn)單的匹配電路無法再次提高帶寬，因此高阻無源探頭的帶寬一般低于600mHz。

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審核編輯：湯梓紅