示波器探頭基礎(chǔ)入門指南(上)

在絕大多數(shù)示波器測(cè)量環(huán)境下，我們都需要使用探頭。示波器探頭有很多種，內(nèi)部原理構(gòu)造迥異，使用方法也各不相同。本文主要給大家介紹示波器探頭的種類及工作原理，探頭使用過程注意事項(xiàng)以及如何選擇示波器探頭。

1 示波器探頭種類及工作原理

對(duì)于DC直流或一般低頻信號(hào)而言，示波器探頭只是一個(gè)由特定阻抗R所形成的一段傳輸線纜。而隨著待測(cè)信號(hào)頻率的增加和不規(guī)則性，示波器探頭在測(cè)量過程中會(huì)引入寄生電容C以及電感L，寄生電容會(huì)衰減信號(hào)的高頻成分，使信號(hào)的上升沿變緩。寄生電感則會(huì)與寄生電容一起構(gòu)成諧振回路，使信號(hào)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。所有這些都會(huì)對(duì)我們測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性帶來(lái)挑戰(zhàn)。

圖1 探頭電氣特性示意圖

示波器探頭按供電方式分可分為無(wú)源探頭和有源探頭。無(wú)源探頭又分為無(wú)源低壓、無(wú)源高壓及低阻傳輸線探頭等，有源探頭又分為有源單端、有源差分、高壓差分探頭等。此外，在一些特殊應(yīng)用下，還會(huì)使用到電流探頭（AC、DC）、近場(chǎng)探頭、邏輯探頭以及各類傳感器（光、溫度、振動(dòng)）探頭等。

無(wú)源探頭是最常用的一類電壓探頭，也是我們?cè)谫?gòu)買示波器時(shí)標(biāo)配贈(zèng)送的探頭。如圖2所示。

圖2 無(wú)源探頭示意圖

無(wú)源探頭一般使用通用型BNC接口與示波器相連，所以大多數(shù)廠家的無(wú)源探頭可以在不同品牌的示波器上通用（某些廠家特殊接口標(biāo)準(zhǔn)的探頭除外），但由于示波器一般無(wú)法自動(dòng)識(shí)別其他品牌的探頭類型，所以此時(shí)需要手動(dòng)在示波器上設(shè)置探頭衰減比，以保證示波器在測(cè)量時(shí)正確補(bǔ)償探頭帶來(lái)的信號(hào)衰減。

圖3所示為日常最為常見的一類無(wú)源探頭原理示意圖，它由輸入阻抗Rprobe、寄生電容Cprobe、傳輸導(dǎo)線（一般1至1.5米左右）、可調(diào)補(bǔ)償電容Ccomp組成。此類無(wú)源探頭一般輸入阻抗為10M?，衰減比因子為10：1。

圖3無(wú)源探頭原理圖

在使用此類探頭時(shí)，示波器的輸入阻抗會(huì)自動(dòng)設(shè)置為高阻1M?。此時(shí)示波器BNC通道輸入點(diǎn)的電壓Vscope與探頭前端所探測(cè)的電壓值Vprobe的關(guān)系滿足以下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

Vprobe/Vscope = (9M? + 1M?) / 1M? = 10 : 1

由關(guān)系式可知，示波器得到的電壓是探頭探測(cè)到電壓的十分之一，這也是無(wú)源探頭10：1衰減因子的由來(lái)。無(wú)源探頭具備高阻抗10M?，因此它對(duì)待測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)（將在第二部分詳述）很小，能覆蓋一般低頻頻段（500MHz以內(nèi)），耐壓能力強(qiáng)（300V-400Vrms），價(jià)格便宜，通用性好，所以得到廣泛使用。

當(dāng)無(wú)源探頭的衰減因子為100：1、1000：1甚至更高時(shí)，此類探頭一般歸類為無(wú)源高壓探頭。由于其衰減比很大，因此能測(cè)量高壓、超高壓電信號(hào)。

圖4 R&S RT-ZH10高壓探頭

還有一類無(wú)源探頭，其衰減比為1：1，信號(hào)未經(jīng)衰減直接經(jīng)過探頭傳輸至示波器，其耐壓能力不及其它無(wú)源探頭，但它具備測(cè)試小信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。由于不像10：1衰減比探頭那樣信號(hào)需要示波器再放大10倍顯示，所以示波器內(nèi)部噪聲未放大，測(cè)量噪聲更小，此類更適用于測(cè)試小信號(hào)或電源紋波噪聲。

圖5 R&S HZ-154 1:1/10:1可調(diào)衰減比無(wú)源探頭

無(wú)源傳輸線探頭是另一類特殊的無(wú)源探頭，其特點(diǎn)是輸入阻抗相對(duì)較低，一般為幾百歐姆，支持帶寬更高，可達(dá)數(shù)GHz以上。圖6為輸入阻抗為500?的10：1無(wú)源傳輸線探頭原理圖：

圖6傳輸線探頭原理圖

傳輸線探頭具備低寄生電容，低輸入阻抗的特性，一般用來(lái)測(cè)量高頻信號(hào)。在使用傳輸線探頭時(shí)應(yīng)該注意將示波器輸入阻抗設(shè)置為50?，以與傳輸線50?阻抗相匹配，傳輸線探頭的典型應(yīng)用為測(cè)量50?傳輸線上的電信號(hào)，通過SMA-N等不同的轉(zhuǎn)換接頭，傳輸線探頭也可用在頻譜分析儀等其它測(cè)試設(shè)備上。