示波器探頭的原理

示波器探頭的原理

•       示波器探頭的主要作用是把被測的電壓信號從測量點引到示波器進行測量。

•       探頭是介于被測信號和示波器之間的中間環節，如果信號在探頭處就已經失真了，那么示波器做的再好也沒有用。實際上探頭的設計要比示波器難得多，因為示波器內部可以做很好的屏蔽，也不需要頻繁拆卸，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，難度要大得多。因此zui早高帶寬的實時示波器剛出現時是沒有相應的探頭的，又過了一段時間探頭才出來。

  　　要選擇合適的探頭，首要的一點是要了解探頭對測試的影響，這其中包括2部分的含義：1、探頭對被測電路的影響；2、探頭造成的信號失真。理想的探頭應該是對被測電路沒有任何影響，同時對信號沒有任何失真的。遺憾的是，沒有真正的探頭能同時滿足這兩個條件，通常都需要在這兩個參數間做一些折衷。

  　　為了考量探頭對測量的影響，我們通常可以把探頭模型簡單等效為一個R、L、C的模型，把這個模型和我們的被測電路放在一起分析。

  　　首先，探頭本身有輸入電阻。和萬用表測電壓的原理一樣，為了盡可能減少對被測電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。但由于Rprobe不可能做到無窮大，所以就會和被測電路產生分壓，實際測到的電壓可能不是探頭點上之前的真實電壓，這在一些電源或放大器電路的測試中會經常遇到。為了避免探頭電阻負載造成的影響，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探頭的輸入阻抗在幾十k歐姆到幾十兆歐姆間。

  　　其次，探頭本身有輸入電容。這個電容不是刻意做進去的，而是探頭的寄生電容。這個寄生電容也是影響探頭帶寬的zui重要因素，因為這個電容會衰減高頻成分，把信號的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下Cprobe應該為0，但是實際做不到。一般無源探頭的輸入電容在10pf至幾百pf間，帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pf至幾pf間。

  　　再其次，探頭輸入端還會受到電感的影響。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常被忽視，尤其是在高頻測量的時候。電感來自于哪里呢？我們知道有導線就會有電感，探頭和被測電路間一定會有一段導線連接，同時信號的回流還要經過探頭的地線。通常1mm探頭的地線會有大約1nH的電感，信號和地線越長，電感值越大。探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，當電感值太大時，在輸入信號的激勵下就有可能產生高頻諧振，造成信號的失真。所以高頻測試時需要嚴格控制信號和地線的長度，否則很容易產生振鈴。

示波器探頭的分類

• 　　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，按測量的信號類型可以分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。所謂的無源探頭，是指整個探頭都由無源器件構成，包括電阻、電容、電纜等；而有源探頭內部一般有放大器，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高，但帶寬做不高，低阻無源探頭帶寬可以做高但輸入阻抗不高。

  　　有源電壓探頭：一般適用于帶寬大于500M Hz，幅度小于正負3伏的單端信號。

  　　無源探頭：一般用于測試帶寬小于500M Hz的單端信號。它是比較經濟的一類探頭。

  　　差分探頭：一般用于測試差分信號。分為高帶寬和高電壓兩種。高電壓差分探頭可以測試高達4400伏的差分信號；高帶寬差分探頭可以測試帶為高達12.5G的高速信號。

  　　電流探頭：一般利用霍爾效應來測試電流信號。測試范圍一般為從DC到2G。幅度由1 mA 到20000A。

  　　低電容探頭：這是為匹配而設置的探頭。這種探頭目前市場型號比較少，zui高可以測量帶寬9G Hz。

  　　高壓探頭：適合測試高壓信號，zui高可以測量達4000伏的電壓，可分為單端和差分兩種探頭。

示波器探頭的使用注意事項

• 　　首先是帶寬，這個通常會在探頭上寫明，多少MHz。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。

  　　另外就是探頭的阻抗匹配。探頭在使用之前應該先對其阻抗匹配部分進行調節。通常在探頭的靠近示波器一端有一個可調電容，有一些探頭在靠近探針一端也具有可調電容。它們是用來調節示波器探頭的阻抗匹配的。如果阻抗不匹配的話，測量到的波形將會變形。調節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上，然后調節Y軸位移旋鈕使掃描線出現在示波器的中間。檢查這時的掃描線是否水平（即是否跟示波器的水平中線重合），如果不是，則需要調節水平平衡旋鈕（通常模擬示波器有這個調節端子，在小孔中，需要用螺絲刀伸進去調節。數字示波器不用調節）。然后，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號輸出端上（一般示波器都帶有這輸出端子，通常是1KHz的方波信號），然后調節掃描時間旋鈕，使波形能夠顯示2個周期左右。調節Y軸增益旋鈕，使波形的峰-峰值在1/2屏幕寬度左右。然后觀察方波的上、下兩邊，看是否水平。如果出現過沖、傾斜等現象，則說明需要調節探頭上的匹配電容。用小螺絲刀調節之，直到上下兩邊的波形都水平，沒有過沖為止。當然，可能由于示波器探頭質量的問題，可能調不到*無失真的效果，這時只能調到*效果了。

  　　另外就是示波器上還有一個選擇量程的小開關：X10和X1。當選擇X1檔時，信號是沒經衰減進入示波器的。而選擇X10檔時，信號是經過衰減到1/10再到示波器的。因此，當使用示波器的X10檔時，應該將示波器上的讀數擴大10倍（有些示波器，在示波器端可選擇X10檔，以配合探頭使用，這樣在示波器端也設置為X10檔后，直接讀數即可）。當我們要測量較高電壓時，就可以利用探頭的X10檔作用，將較高電壓衰減后進入示波器。另外，X10檔的輸入阻抗比X1檔要高得多，所以在測試驅動能力較弱的信號波形時，把探頭打到X10檔可更好的測量。但要注意，在不確信號電壓高低時，也應當先用X10檔測一下，確認電壓不是過高后再選用正確有量程檔測量，養成這樣的習慣是很有必要的，不然，哪天萬一因為這樣損壞了示波器，要后悔就來不及了。經常有人提問，為什么用示波器看不到晶振引腳上的波形？一個可能的原因就是因為使用的是探頭的X1檔，這時相當于一個很重的負載（一個示波器探頭使用×1檔具有上百pF的電容）并聯在晶振電路中，導致電路停振了。正確的方法應該是使用探頭的X10檔。這是使用中應當注意的，即或不停振，也有可能因過度改變振蕩條件而看不到真實的波形了。

  　　示波器探頭在使用時，要保證地線夾子可靠的接了地（被測系統的地，非真正的大地），不然測量時，就會看到一個很大的50Hz的信號，這是因為示波器的地線沒連好，而感應到空間中的50Hz工頻市電而產生的。如果你發現示波器上出現了一個幅度很強的50Hz信號（我國市電頻率為50Hz，國外有60Hz的），這時你就要注意下看是否是探頭的地線沒連好。由于示波器探頭經常使用，可能會導致地線斷路。檢測方法是：將示波器調節到合適的掃描頻率和Y軸增益，然后用手觸摸探頭中間的探針，這時應該能看到波形，通常是一個50Hz的信號。如果這時沒有波形，可以檢查是否是探頭中間的信號線是否已經損壞。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，這時應該看不到剛剛的信號（或者幅度很微弱），這就說明探頭的地線是好的，否則地線已經損壞。通常是連接夾子那條線斷路，通常重新焊上即可，必要時可更換，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環境下。示波器探頭的地線夾子應該要靠近測量點，尤其是測量頻率較高、幅度較小的信號時。因為長長的地線，會形成一個環，它就像一個線圈，會感應到空間的電磁場。另外系統中的地線中流較大時，也會在地線上產生壓降，所以示波器探頭的地線應該連接到靠近被測試點附近的地上。

•      示波器探頭是連接被測電路和示波器輸入端的電子部件。zui簡單的探頭可以是一根導線，復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擾，而且本身等效電容較大，造成被測電路的負載增加，使被測信號失真。