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示波器探頭分類及詳細(xì)介紹

        示波器是一種用途廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它利用電子示波器的特性，將人眼不能直接觀察到的交變電信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在熒光屏上進(jìn)行測(cè)量。使用示波器，可以觀察到各種信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形，還可以用來(lái)測(cè)試各種電氣量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅等。示波器的一個(gè)組成部分是示波器探頭。
        一、示波器探頭介紹
        示波器探頭在測(cè)試點(diǎn)或信號(hào)源與示波器之間建立物理和電氣連接；實(shí)際上，示波器探頭是將信號(hào)源連接到示波器輸入端的一種設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)，它必須在信號(hào)源和示波器輸入端之間提供足夠方便和高質(zhì)量的連接。連接充分性存在三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：物理連接、對(duì)電路運(yùn)行的影響和信號(hào)傳輸。
         2、示波器探頭的分類
        市場(chǎng)上有成百上千種不同的示波器探頭。示波器探頭的技術(shù)指標(biāo)之一是頻率特性。按頻率劃分探頭類型很方便，但示波器探頭的頻率覆蓋范圍有限，很難按LF、HF、VHF、UHF、RF等無(wú)線電頻段進(jìn)行劃分。示波器探頭是所有探頭之一。z常用的探頭是電壓探頭和電流探頭，通常根據(jù)測(cè)量對(duì)象對(duì)探頭進(jìn)行分類。
         1 無(wú)源電壓探頭
        1.1 無(wú)源探頭
        無(wú)源探頭由電線和連接器組成，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(méi)有有源元件（晶體管或放大器），因此無(wú)需為探頭供電。無(wú)源探頭通常是z堅(jiān)固、z經(jīng)濟(jì)的探頭，它們不僅易于使用，而且用途廣泛。
         1.2 高阻抗無(wú)源電壓探頭
        從實(shí)際需要來(lái)看，使用最多的電壓探頭是高阻抗無(wú)源電壓探頭，占比最大。無(wú)源電壓探頭針對(duì)不同的電壓范圍提供 1×、10× 和 100× 的各種衰減因子。在這些無(wú)源探頭中，10×無(wú)源電壓探頭是z常用的探頭。信號(hào)幅度對(duì)于 1V 峰峰值或更低的應(yīng)用，1× 探頭可能更合適，甚至是bi不可少的。在中低幅度信號(hào)混合的應(yīng)用中（幾十毫伏到幾十伏），可切換的 1×/10× 探頭更加方便。然而，可切換的 1×/10× 探頭本質(zhì)上是一種產(chǎn)品中的兩種不同探頭，不僅具有不同的衰減系數(shù)，而且具有不同的帶寬、上升時(shí)間和阻抗（R 和 C）特性。因此，這些探頭無(wú)法與示波器的輸入wan美匹配，也無(wú)法提供標(biāo)準(zhǔn) 10 倍探頭所能達(dá)到的最佳性能。
         1.3 低阻無(wú)源電壓探頭
        大多數(shù)高阻抗無(wú)源探頭的帶寬范圍從小于 100MHz 到 500MHz 或更高。另一方面，低阻抗無(wú)源電壓探頭（也稱為 50 歐姆探頭、Zo 探頭、分壓器探頭）具有良好的頻率特性，使用與同軸電纜匹配的探頭，帶寬高達(dá) 10GHz，上升幅度為 100 皮秒或更快的時(shí)間。該探頭設(shè)計(jì)用于 50 歐姆環(huán)境，通常是高速設(shè)備表征、微波通信和時(shí)域反射計(jì) (TDR)。
         1.4 無(wú)源高壓探頭
        “高壓"是一個(gè)相對(duì)概念。從探頭的角度來(lái)看，我們可以將高壓定義為超過(guò)典型通用 10 倍無(wú)源探頭可以安全處理的電壓。高壓探頭需要良好的介電強(qiáng)度，以確保用戶和示波器的安全。
         2. 有源電壓探頭
        2.1 有源探頭
        有源探頭包含或依賴于晶體管等有源器件。最常見(jiàn)的是，有源器件是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)，它提供非常低的輸入電容，從而在更寬的頻帶上產(chǎn)生高輸入阻抗。從下面的Xc公式可以看出：
         2.2 有源 FET 探頭
        有源 FET 探頭的規(guī)定帶寬一般在 500MHz 和 4GHz 之間。除了更高的帶寬之外，有源 FET 探頭的高輸入阻抗允許在未知阻抗的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并且負(fù)載效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)要低得多。此外，由于電容低，地線效應(yīng)降低，可以使用更長(zhǎng)的地線。
        有源 FET 探頭沒(méi)有無(wú)源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動(dòng)態(tài)范圍通常在 ±0.6V 和 ±10V 之間。
         2.3 有源差分探頭
        差分信號(hào)是交叉參考信號(hào)，而不是接地參考信號(hào)。差分探頭可以測(cè)量浮動(dòng)裝置的信號(hào)。本質(zhì)上，它是由兩個(gè)對(duì)稱的電壓探頭組成，分別具有良好的絕緣性和對(duì)場(chǎng)的高阻抗。差分探頭在更寬的頻率范圍內(nèi)提供高共模抑制比 (CMRR)。
         3 電流探頭
        原則上，用電壓探頭測(cè)得的電壓值除以測(cè)得的阻抗值，很容易得到電流值。但實(shí)際上這種測(cè)量引入的誤差是很大的，所以一般不采用將電壓轉(zhuǎn)換為電流的方法。電流探頭可以精確測(cè)量電流波形，方法是利用電流互感器輸入，信號(hào)電流磁通經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng)探頭內(nèi)的放大器放大后送入示波器。
         3.1 交流電流探頭
        在交流電流互感器中，隨著電流方向的改變，電場(chǎng)發(fā)生變化，感應(yīng)出電壓。交流電流探頭是無(wú)源設(shè)備，不需要外部電源。
         3.2 直流電流探頭
        傳統(tǒng)的電流探頭只能測(cè)量交流信號(hào)，因?yàn)榉€(wěn)定的直流電流不能在變壓器中感應(yīng)出電流。然而，利用霍爾效應(yīng)，被電流偏置的半導(dǎo)體器件會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于直流電場(chǎng)的電壓。因此，直流電流探頭是一種需要外部電源的有源器件。
        因此，電流探頭基本上分為兩類：交流電流探頭和交直流電流探頭。 AC電流探頭通常是無(wú)源探頭，AC/DC電流探頭通常是有源探頭。
         4 個(gè)邏輯探頭
        使用示波器觀察和分析數(shù)字波形的模擬特性時(shí)，需要使用邏輯探頭。為了找出確切的原因，數(shù)字設(shè)計(jì)人員通常需要查看在特定邏輯條件下出現(xiàn)的特定數(shù)據(jù)脈沖。這需要邏輯觸發(fā)功能。圖 3 是邏輯探頭的示意圖，可以添加到大多數(shù)示波器中。
        5 其他探頭
        由于示波器的應(yīng)用范圍廣泛，除上述探頭類型外，還有各種特殊探頭。這些專業(yè)探頭根據(jù)其前端傳感器具有不同的功能。我們將在下面介紹其中的兩個(gè)。僅供讀者理解。
        原理上，光電探頭是普通電壓探頭和光電轉(zhuǎn)換器件的組合，可以直接測(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和溫度傳感器的組合，可以直接測(cè)量物體的溫度。溫度探頭是傳感器探頭的一種。各種傳感器探頭和示波器可以測(cè)量各種物理量。
        三、示波器探頭使用注意事項(xiàng)
        將被測(cè)信號(hào)正確連接到示波器是測(cè)試工作的第一步。這里我們主要介紹將探頭連接到被測(cè)電路時(shí)的注意事項(xiàng)。
         1、探頭與被測(cè)電路連接時(shí)，探頭的接地端必須與被測(cè)電路的地線相連。否則，在懸掛狀態(tài)下，示波器與其他設(shè)備或大地之間的電位差可能導(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)盡量將探頭的地線靠近被測(cè)點(diǎn)。過(guò)長(zhǎng)的接地線可能會(huì)導(dǎo)致波形失真，例如振鈴或過(guò)沖。
         3、為防止地線影響高頻信號(hào)的測(cè)試，建議使用探頭專用的接地附件。圖 8 顯示了典型通用電壓探頭隨附的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試附件。
         4、為避免測(cè)量誤差，測(cè)量前請(qǐng)務(wù)必檢查校準(zhǔn)探頭。探頭衰減補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)原理和方法前面已經(jīng)介紹過(guò)，這里不再贅述。
         5. 高壓測(cè)試，使用專用高壓探頭。區(qū)分正負(fù)極后，確認(rèn)連接無(wú)誤后即可開始測(cè)量。
         6、當(dāng)兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)不處于地電位時(shí)，應(yīng)進(jìn)行“浮動(dòng)"測(cè)量，也稱為差分測(cè)量，應(yīng)使用專業(yè)的差分探頭。
         7 總結(jié)
        探頭對(duì)于示波器測(cè)量至關(guān)重要，因此要求探頭對(duì)探測(cè)電路的影響最小，并且希望保持足夠的信號(hào)保真度。如果探頭以任何方式改變信號(hào)或改變電路的運(yùn)行方式，示波器將看到實(shí)際信號(hào)的失真結(jié)果，這可能導(dǎo)致錯(cuò)誤或誤導(dǎo)性的測(cè)量。從上面的介紹可以看出，在探頭的選擇和正確使用上，有很多值得注意的地方。只有與示波器和被測(cè)電路匹配良好的探頭才是您應(yīng)該選擇和使用的探頭。