示波器探頭分類及詳細(xì)介紹

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器，其利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測的交變電信號轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在熒光屏上進(jìn)行測量。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。示波器不可或缺的一個元件就是示波器探頭。

一.示波器探頭簡介

示波器探頭是在測試點(diǎn)或信號源和示波器之間建立了一條物理和電子連接;實(shí)際上，示波器探頭是把信號源連接到示波器輸入上的某類設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)，它必須在信號源和示波器輸入之間提供足夠方便優(yōu)質(zhì)的連接。連接的充分程度有三個關(guān)鍵的問題：物理連接、對電路操作的影響和信號傳輸。

二.示波器探頭的分類

市場上提供了數(shù)百種、甚至上千種不同的示波器探頭。示波器探頭的一個技術(shù)指標(biāo)是頻率特性，按頻率劃分探頭的種類有其方便之處，但是示波器探頭的頻率覆蓋范圍有限很難按無線電頻率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段來劃分。示波器探頭是所有探頭中的一種，最常使用的探頭是電壓電流探頭，而探頭通常是按測量對象進(jìn)行分類的。

1 無源電壓探頭

1.1 無源探頭

無源探頭由導(dǎo)線和連接器制成，在需要補(bǔ)償或衰減時，還包括電阻器和電容器。探頭中沒有有源器件(晶體管或放大器)，因此不需為探頭供電。無源探頭一般是最堅(jiān)固、最經(jīng)濟(jì)的探頭，它們不僅使用簡便，而且使用廣泛。

1.2 高阻無源電壓探頭

從實(shí)際需要出發(fā)，使用最多的是電壓探頭，其中高阻無源電壓探頭占最大部分。無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)1×，10×和100×。在這些無源探頭中，10×無源電壓探頭是最常用的探頭。對信號幅度是1V峰峰值或更低的應(yīng)用，1×探頭可能要比較適合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信號混合(幾十毫伏到幾十伏)的應(yīng)用中，可切換1×/10×探頭要方便得多。但是，可切換1×/10×探頭在本質(zhì)上是一個產(chǎn)品中的兩個不同探頭，不僅其衰減系數(shù)不同，而且其帶寬、上升時間和阻抗(R和C)特點(diǎn)也不同。因此，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提供標(biāo)準(zhǔn)10×探頭實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)性能。

1.3 低阻無源電壓探頭

大多數(shù)高阻無源探頭的帶寬范圍在小于100MHz到500MHz或更高的帶寬之間。而低阻無源電壓探頭(又稱為50歐姆探頭、Zo探頭、分壓器探頭)的頻率特性很好，采用匹配同軸電纜的探頭，帶寬可達(dá)10GHz和100皮秒或更快的上升時間。這種探頭是為用于50歐姆環(huán)境中設(shè)計(jì)的，這些環(huán)境一般是高速設(shè)備檢定、微波通信和時域反射計(jì)(TDR)。

1.4 無源高壓探頭

“高壓”是相對的概念。從探頭角度看，我們可以把高壓定義為超過典型的通用10×無源探頭可以安全處理的電壓的任何電壓。高壓探頭要求具有良好的絕緣強(qiáng)度，保證使用者和示波器的安全。

2.有源電壓探頭

2.1 有源探頭

有源探頭包含或依賴有源器件，如晶體管。最常見的情況下，有源設(shè)備是一種場效應(yīng)晶體管(FET)，它提供了非常低的輸入電容，低電容會在更寬的頻段上導(dǎo)致高輸入阻抗?？梢詮南旅娴腦c公式中看出：

2.2 有源FET探頭

有源FET探頭的規(guī)定帶寬一般在500MHz ～4GHz之間。除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻抗未知的測試點(diǎn)上進(jìn)行測量，而產(chǎn)生負(fù)荷效應(yīng)的風(fēng)險要低得多。另外，由于低電容降低了地線影響，可以使用更長的地線。

有源FET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動態(tài)范圍一般在±0.6V到±10V之間。

2.3 有源差分探頭

差分信號是互相參考，而不是參考接地的信號。差分探頭可測量浮置器件的信號，實(shí)質(zhì)上它是兩個對稱的電壓探頭組成，分別對地段有良好絕緣和較高阻抗。差分探頭可以在更寬的頻率范圍內(nèi)提供很高的共模抑制比(CMRR)。

3 電流探頭

從原理上來看，用電壓探頭測得電壓值，除以被測阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實(shí)際上這種測量引入的誤差很大，所以一般不采用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號電流磁通經(jīng)互感變壓器變換成電壓，再由探頭內(nèi)的放大器放大后送到示波器。

3.1 交流電流探頭

交流電流在互感器中，隨著電流方向的變化，產(chǎn)生電場的變化，并感應(yīng)出電壓。交流電流探頭屬于無源設(shè)備，無需外接供電。

3.2 直流電流探頭

傳統(tǒng)電流探頭只能測量交流交流信號，因?yàn)榉€(wěn)定的直流電流不能在互感器中感應(yīng)電流。然而，利用霍爾效應(yīng)，電流偏流的半導(dǎo)體設(shè)備將產(chǎn)生與直流電場對應(yīng)的電壓。所以，直流電流探頭是一種有源設(shè)備，需要外接供電。

所以電流探頭基本上分成兩類：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭通常是無源探頭，AC/DC電流探頭通常是有源探頭。

4 邏輯探頭

使用示波器觀察分析數(shù)字波形的模擬特點(diǎn)時，需要用到邏輯探頭，為隔離確切地成因，數(shù)字設(shè)計(jì)人員通常需要查看在具體邏輯條件下發(fā)生的特定數(shù)據(jù)脈沖，這要求邏輯觸發(fā)功能。如圖3為邏輯探頭示意圖，可以在大多數(shù)示波器中增加這種邏輯出發(fā)功能。

5 其他探頭

由于示波器的應(yīng)用范圍十分廣泛，所以除了上述的探頭類型外還有各種專用探頭，這些專業(yè)探頭根據(jù)其前端傳感器的不同而有不同的功用，下面我們介紹其中的兩種，僅供讀者了解。

光電探頭在原理上是普通電壓探頭與光電轉(zhuǎn)換器件的組合，可直接測量光器件和光纖傳輸?shù)墓庑盘枴?/p>

溫度探頭是普通電壓探頭與溫度傳感器的組合，可直接測量物體的溫度。溫度探頭屬傳感器探頭的一種，各種傳感器探頭與示波器配合可測量多種物理量。

三.示波器探頭使用注意事項(xiàng)

將待測信號正確接入示波器是測試工作的第一步，這里我們主要介紹探頭與被測電路連接時的注意事項(xiàng)。

1. 探頭與被測電路連接時，探頭的接地端務(wù)必與被測電路的地線相聯(lián)。否則在懸浮狀態(tài)下，示波器與其他設(shè)備或大地間的電位差可能導(dǎo)致觸電或損壞示波器、探頭或其他設(shè)備。

2. 測量建立時間短的脈沖信號和高頻信號時，請盡量將探頭的接地導(dǎo)線與被測點(diǎn)的位置鄰近。接地導(dǎo)線過長，可能會引起振鈴或過沖等波形失真。

3. 為避免接地導(dǎo)線影響對高頻信號的測試，建議使用探頭的專用接地附件。如圖8所示為典型通用電壓探頭所帶有的標(biāo)準(zhǔn)測試附件。

4. 為避免測量誤差，請務(wù)必在測量前對探頭進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，探頭衰減補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)原理和方法我們在前面已經(jīng)介紹過，這里不再贅述。

5. 對于高壓測試，要使用專用高壓探頭，分清楚正負(fù)極后，確認(rèn)連接無誤才能通電開始測量。

6. 對于兩個測試點(diǎn)都不處于接地電位時，要進(jìn)行“浮動”測量，也稱差分測量，要使用專業(yè)的差分探頭。

7 總結(jié)

探頭對示波器測量至關(guān)重要，所以要求探頭對探測的電路影響必須達(dá)到最小，并希望對測量值保持足夠的信號保真度。如果探頭以任何方式改變信號或改變電路運(yùn)行方式，示波器會看到實(shí)際信號的失真結(jié)果，進(jìn)而可能導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果，或者誤導(dǎo)性的測量結(jié)果。通過以上介紹可知，探頭的選購和正確使用有許多值得注意的地方，只有與示波器和被測電路都匹配良好的探頭才是您該選擇和使用的探頭。