示波�探頭�(duì)測量�(jié)果的�(zhǔn)確性以及正確性至�(guān)重要,它是連接被測電路與示波器輸入端的電子部件。最簡單的探頭是連接被測電路與電子示波器輸入端的一根導(dǎo)�,復(fù)雜的探頭由阻容元件和有源器件組成。簡單的探頭沒有采取屏蔽措施很容易受到外界電磁場的干�,而且本身等效電容較大,造成被測電路的負(fù)載增加,使被測信�(hào)失真�
探頭的主要作用是把被測的電壓信號(hào)從測量點(diǎn)引到示波器�(jìn)行測��
探頭是介于被測信�(hào)和示波器之間的中間環(huán)節(jié),如果信�(hào)在探頭處就已�(jīng)失真�,那么示波器做的再好也沒有用。實(shí)際上探頭的設(shè)�(jì)要比示波器難得多,因?yàn)槭静ㄆ鲀?nèi)部可以做很好的屏�,也不需要頻繁拆�,而探頭除了要滿足探測的方便性的要求以外,還要保證至少和示波器一樣的帶寬,難度要大得�。因此最早高帶寬的實(shí)�(shí)示波器剛出現(xiàn)�(shí)是沒有相�(yīng)的探頭的,又過了一段時(shí)間探頭才出來�
要選擇合適的探頭,首要的一�(diǎn)是要了解探頭�(duì)測試的影響,這其中包�2部分的含義:1、探頭對(duì)被測電路的影��2、探頭造成的信�(hào)失真。理想的探頭�(yīng)該是�(duì)被測電路沒有任何影響,同�(shí)�(duì)信號(hào)沒有任何失真�。遺憾的�,沒有真正的探頭能同�(shí)滿足這兩�(gè)條件,通常都需要在這兩�(gè)參數(shù)間做一些折��
為了考量探頭�(duì)測量的影�,我們�??梢园烟筋^模型簡單等效為一�(gè)R、L、C的模�,把這�(gè)模型和我們的被測電路放在一起分��
首先,探頭本身有輸入電阻。和萬用表測電壓的原理一�,為了盡可能減少�(duì)被測電路的影�,要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能�。但由于Rprobe不可能做到無窮大,所以就�(huì)和被測電路產(chǎn)生分�,實(shí)際測到的電壓可能不是探頭�(diǎn)上之前的真實(shí)電壓,這在一些電源或放大器電路的測試中會(huì)�(jīng)常遇�。為了避免探頭電阻負(fù)載造成的影�,一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload�10倍以�。大部分探頭的輸入阻抗在幾十k歐姆到幾十兆歐姆��
其次,探頭本身有輸入電容。這�(gè)電容不是刻意做�(jìn)去的,而是探頭的寄生電容。這�(gè)寄生電容也是影響探頭帶寬的最重要因素,因?yàn)檫@�(gè)電容�(huì)衰減高頻成分,把信號(hào)的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下Cprobe�(yīng)該為0,但是實(shí)際做不到。一般無源探頭的輸入電容�10pf至幾百pf�,帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pf至幾pf��
再其次,探頭輸入端還�(huì)受到電感的影�。探頭的輸入電阻和電容都比較好理解,探頭輸入端的電感卻經(jīng)常被忽視,尤其是在高頻測量的�(shí)候。電感來自于哪里�?我們知道有�(dǎo)線就�(huì)有電�,探頭和被測電路間一定會(huì)有一段導(dǎo)線連接,同�(shí)信號(hào)的回流還要經(jīng)過探頭的地線。通常1mm探頭的地線會(huì)有大�1nH的電感,信號(hào)和地線越�,電感值越大。探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路,當(dāng)電感值太大時(shí),在輸入信號(hào)的激�(lì)下就有可能產(chǎn)生高頻諧�,造成信號(hào)的失�。所以高頻測試時(shí)需要嚴(yán)格控制信�(hào)和地線的長度,否則很容易�(chǎn)生振��
示波器的探頭按是否需要供電可以分為無源探頭和有源探頭,按測量的信�(hào)類型可以分為電壓探頭、電流探�、光探頭�。所謂的無源探頭,是指整�(gè)探頭都由無源器件�(gòu)�,包括電�、電�、電纜等;而有源探頭內(nèi)部一般有放大器,放大器是需要供電的,所以叫有源探頭。示波器中高阻無源探頭的輸入阻抗�,但帶寬做不高,低阻無源探頭帶寬可以做高但輸入阻抗不��
有源電壓探頭:一般適用于帶寬大于500M Hz,幅度小于正�(fù)3伏的單端信號(hào)�
無源探頭:一般用于測試帶寬小�500M Hz的單端信�(hào)。它是比較經(jīng)�(jì)的一類探頭�
差分探頭:一般用于測試差分信�(hào)。分為高帶寬和高電壓兩種。高電壓差分探頭可以測試高達(dá)4400伏的差分信號(hào);高帶寬差分探頭可以測試帶為高達(dá)12.5G的高速信�(hào)�
電流探頭:一般利用霍爾效�(yīng)來測試電流信�(hào)。測試范圍一般為從DC�2G。幅度由1 mA �20000A�
低電容探頭:這是為匹配而設(shè)置的探頭。這種探頭目前市場型號(hào)比較�,可以測量帶�9G Hz�
高壓探頭:適合測試高壓信�(hào),可以測量達(dá)4000伏的電壓,可分為單端和差分兩種探��
首先是帶�,這�(gè)通常�(huì)在探頭上寫明,多少M(fèi)Hz。如果探頭的帶寬不夠,示波器的帶寬再高也是無用,瓶頸效應(yīng)�
另外就是探頭的阻抗匹�。探頭在使用之前�(yīng)該先�(duì)其阻抗匹配部分�(jìn)行調(diào)節(jié)。通常在探頭的靠近示波器一端有一�(gè)可調(diào)電容,有一些探頭在靠近探針一端也具有可調(diào)電容。它們是用來�(diào)節(jié)示波器探頭的阻抗匹配的。如果阻抗不匹配的話,測量到的波形將�(huì)變形。調(diào)節(jié)示波器探頭阻抗匹配的方法如下�
首先將示波器的輸入選擇打在GND�,然后調(diào)節(jié)Y軸位移旋鈕使掃描線出�(xiàn)在示波器的中�。檢查這時(shí)的掃描線是否水平(即是否跟示波器的水平中線重合),如果不�,則需要調(diào)節(jié)水平平衡旋鈕(通常模擬示波器有這�(gè)�(diào)節(jié)端子,在小孔中,需要用螺絲刀伸�(jìn)去調(diào)節(jié)。數(shù)字示波器不用�(diào)節(jié))。然�,再將示波器的輸入選擇打到直流耦合上,并將示波器探頭接在示波器的測試信�(hào)輸出端上(一般示波器都帶有這輸出端�,通常�1KHz的方波信�(hào)�,然后調(diào)節(jié)掃描�(shí)間旋�,使波形能夠顯示2�(gè)周期左右。調(diào)節(jié)Y軸增益旋鈕,使波形的�-峰值在1/2屏幕寬度左右。然后觀察方波的�、下兩邊,看是否水平。如果出�(xiàn)過沖、傾斜等�(xiàn)�,則說明需要調(diào)節(jié)探頭上的匹配電容。用小螺絲刀�(diào)節(jié)�,直到上下兩邊的波形都水平,沒有過沖為止。當(dāng)�,可能由于示波器探頭�(zhì)量的問題,可能調(diào)不到完全無失真的效果,這時(shí)只能�(diào)到效果了�
另外就是示波器上還有一�(gè)選擇量程的小開關(guān):X10和X1。當(dāng)選擇X1檔時(shí),信�(hào)是沒�(jīng)衰減�(jìn)入示波器�。而選擇X10檔時(shí),信�(hào)是經(jīng)過衰減到1/10再到示波器的。因�,當(dāng)使用示波器的X10檔時(shí),應(yīng)該將示波器上的讀�(shù)�(kuò)�10倍(有些示波�,在示波器端可選擇X10檔,以配合探頭使�,這樣在示波器端也�(shè)置為X10檔后,直接讀�(shù)即可)。當(dāng)我們要測量較高電壓�(shí),就可以利用探頭的X10檔功�,將較高電壓衰減后�(jìn)入示波器。另�,X10檔的輸入阻抗比X1檔要高得多,所以在測試�(qū)�(dòng)能力較弱的信�(hào)波形�(shí),把探頭打到X10檔可更好的測�。但要注�,在不確信號(hào)電壓高低�(shí),也�(yīng)�(dāng)先用X10檔測一下,確認(rèn)電壓不是過高后再選用正確有量程檔測量,養(yǎng)成這樣的習(xí)慣是很有必要的,不然,哪天萬一�?yàn)檫@樣損壞了示波�,要后悔就來不及了。經(jīng)常有人提�,為什么用示波器看不到晶振引腳上的波形?一�(gè)可能的原因就是因?yàn)槭褂玫氖翘筋^的X1�,這時(shí)相當(dāng)于一�(gè)很重的負(fù)載(一�(gè)示波器探頭使用�1檔具有上百pF的電容)并聯(lián)在晶振電路中,導(dǎo)致電路停振了。正確的方法�(yīng)該是使用探頭的X10檔。這是使用中應(yīng)�(dāng)注意�,即或不停振,也有可能因過度改變振蕩條件而看不到真實(shí)的波形了�
示波器探頭在使用�(shí),要保證地線夾子可靠的接了地(被測系�(tǒng)的地,非真正的大地),不然測量時(shí),就�(huì)看到一�(gè)很大�50Hz的信�(hào),這是�?yàn)槭静ㄆ鞯牡鼐€沒連好,而感�(yīng)到空間中�50Hz工頻市電而產(chǎn)生的。如果你�(fā)�(xiàn)示波器上出現(xiàn)了一�(gè)幅度很強(qiáng)�50Hz信號(hào)(我國市電頻率為50Hz,國外有60Hz的),這時(shí)你就要注意下看是否是探頭的地線沒連好。由于示波器探頭�(jīng)常使�,可能會(huì)�(dǎo)致地線斷�。檢測方法是:將示波器調(diào)節(jié)到合適的掃描頻率和Y軸增�,然后用手觸摸探頭中間的探針,這時(shí)�(yīng)該能看到波形,通常是一�(gè)50Hz的信�(hào)。如果這時(shí)沒有波形,可以檢查是否是探頭中間的信�(hào)線是否已�(jīng)損壞。然后,將示波器探頭的地線夾子夾到探頭的探針(或者是鉤子)上,再去用手觸摸探頭的探針,這時(shí)�(yīng)該看不到剛剛的信�(hào)(或者幅度很微弱),這就說明探頭的地線是好的,否則地線已�(jīng)損壞。通常是連接夾子那條線斷路,通常重新焊上即可,必要時(shí)可更�,注意連接夾子的地線不要太長,否則容易引入干擾,尤其是在高頻小信號(hào)�(huán)境下。示波器探頭的地線夾子應(yīng)該要靠近測量�(diǎn),尤其是測量頻率較高、幅度較小的信號(hào)�(shí)。因?yàn)殚L長的地線,會(huì)形成一�(gè)�(huán),它就像一�(gè)線圈,會(huì)感應(yīng)到空間的電磁�。另外系�(tǒng)中的地線中流較大�(shí),也�(huì)在地線上�(chǎn)生壓�,所以示波器探頭的地線應(yīng)該連接到靠近被測試�(diǎn)附近的地��
�(fù)載效�(yīng)
所謂負(fù)載效�(yīng)就是在被測電路上接入示波器時(shí),有�(shí)示波器的輸入電阻�(huì)�(duì)被測電路�(chǎn)生影�,致使被測電路的信號(hào)�(fā)生變化。若�(fù)載效�(yīng)的影響很�,就不能�(zhǔn)確地�(jìn)行波形測�。若要減小負(fù)載效�(yīng),就需要將示波器一端的輸入電阻增大。輸入電阻越�,輸入電容越小,�(fù)載效�(yīng)就越��
在示波器測量�,另外一種負(fù)載效�(yīng)指的是探頭對(duì)被測電路的負(fù)載效�(yīng),為保證測量的準(zhǔn)確�,需要減輕探頭對(duì)被測電路的負(fù)載效�(yīng),不至影響到被測信號(hào),因此應(yīng)選擇高輸入阻抗的探頭。探頭的輸入阻抗可以等效為電阻與電容的并�(lián)。低頻時(shí)�1MHz以下)探頭的�(fù)載主要是阻抗作用;高頻時(shí)�10MHz以上)探頭的�(fù)載主要是容抗作用。為了減輕探頭對(duì)被測電路的負(fù)載作�,應(yīng)選擇高阻抗、低容抗的探�,例如帶�100MHz用的無源探頭,它的輸入電阻是1~10Ω,輸入電容是1~10pF。有源探頭的�(fù)載作用優(yōu)于無源探�,頻率特性更好�
阻抗匹配
阻抗是電壓和電流之比,在理想情況�,對(duì)被測儀器�(jìn)行測試時(shí)不應(yīng)影響它的正常工作,測量值也�(yīng)和未接測試儀器時(shí)相同。當(dāng)連接儀器�(jìn)行測量時(shí),要考慮阻抗�(duì)測量�(zhǔn)確性的影響,為了保證儀器之間能夠傳送的功率,阻抗應(yīng)該匹�。如果阻抗為純電�,應(yīng)使輸入阻抗與輸出阻抗的值相�。如果阻抗包含電抗成分應(yīng)使負(fù)載的輸入阻抗與源的輸出阻抗共軛匹�,這時(shí)能夠傳送功率�
阻抗匹配的阻抗值通常和使用的傳輸線的特性阻抗值一�。對(duì)于射頻系�(tǒng),一般采�50Ω阻抗。對(duì)于高阻抗儀�,由于等效并�(lián)電容的存�,隨著頻率升�,并�(lián)組合阻抗逐漸變小,將�(duì)被測電路形式�(fù)�。如1MΩ輸入阻抗,在頻率�(dá)�100MHz�(shí),等效阻抗只�100Ω左右。因�,高帶寬的示波器一般都采用50Ω輸入阻抗,這樣可以保證示波器與源端的匹�。但是使�50Ω輸入阻抗�(shí),必須考慮�50Ω輸入阻抗的負(fù)載效�(yīng)比較明顯,此�(shí)使用低電容的有源探頭�
電容�(fù)�
隨著信號(hào)頻率或轉(zhuǎn)換速率提高,阻抗的電容成分變成主要因素。結(jié)�,電容負(fù)荷成為主要問題,特別是電容負(fù)荷會(huì)影響快速轉(zhuǎn)換波形的上升�(shí)間和下降�(shí)間及波形中高頻成分幅��
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