示波器探頭的作用及工作原理

示波器探頭對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性以及正確性至關(guān)重要，它是連接被測(cè)電路與示波器]輸入端的電子部件。最簡(jiǎn)單的探頭是連接被測(cè)電路與電子示波器輸入端的一根導(dǎo)線，復(fù)雜的探頭由阻容元件和有源器件組成。簡(jiǎn)單的探頭沒(méi)有采取屏蔽措施很容易受到外界電磁場(chǎng)的干擾，而且本身等效電容較大，造成被測(cè)電路的負(fù)載增加，使被測(cè)信號(hào)失真。

示波器探頭的主要作用是傳遞被測(cè)信號(hào)，它如同一只精準(zhǔn)的傳感器，能夠捕捉到微小的電信號(hào)變化，并將其放大后顯示在示波器屏幕上。探頭的基本組成包括探針頭部、衰減器、補(bǔ)償電容等部分。當(dāng)探頭接觸到電路中的測(cè)試點(diǎn)時(shí)，探針頭部的電場(chǎng)會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號(hào)，隨后通過(guò)內(nèi)部的放大器進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯筇幚?。這個(gè)過(guò)程中，為了確保信號(hào)的真實(shí)還原，探頭需要對(duì)不同頻率的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，避免因高頻信號(hào)的傳輸延遲而產(chǎn)生波形失真。

示波器探頭的負(fù)載效應(yīng)

所謂負(fù)載效應(yīng)就是在被測(cè)電路上接入示波器時(shí)，有時(shí)示波器的輸入電阻會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生影響，致使被測(cè)電路的信號(hào)發(fā)生變化。若負(fù)載效應(yīng)的影響很大，就不能準(zhǔn)確地進(jìn)行波形測(cè)量。若要減小負(fù)載效應(yīng)，就需要將示波器一端的輸入電阻增大。輸入電阻越大，輸入電容越小，負(fù)載效應(yīng)就越小。

探頭的負(fù)載效應(yīng)

當(dāng)探頭探測(cè)到被測(cè)電路后，探頭成為了被測(cè)電路的一部分。探頭的負(fù)載效應(yīng)包括下面3部分：

1.阻性負(fù)載效應(yīng)；

阻性負(fù)載相當(dāng)于在被測(cè)電路上并聯(lián)了一個(gè)電阻，對(duì)被測(cè)信號(hào)有分壓的作用，影響被測(cè)信號(hào)的幅度和直流偏置。有時(shí)，加上探頭時(shí)，有故障的電路可能變得正常了。一般推薦探頭的電阻R>10倍被測(cè)源電阻，以維持小于10%的幅度誤差。

探頭的阻性負(fù)載

2.容性負(fù)載效應(yīng)；

容性負(fù)載相當(dāng)于在被測(cè)電路上并聯(lián)了一個(gè)電容，對(duì)被測(cè)信號(hào)有濾波的作用，影響被測(cè)信號(hào)的上升下降時(shí)間，影響傳輸延遲，影響傳輸互連通道的帶寬。有時(shí)，加上探頭時(shí)，有故障的電路變得正常了，這個(gè)電容效應(yīng)起到了關(guān)鍵的作用。一般推薦使用電容負(fù)載盡量小的探頭，以減小對(duì)被測(cè)信號(hào)邊沿的影響。

探頭的容性負(fù)載

3.感性負(fù)載效應(yīng)。

感性負(fù)載來(lái)源于探頭地線的電感效應(yīng)，這地線電感會(huì)與容性負(fù)載和阻性負(fù)載形成諧振，從而使顯示的信號(hào)上出現(xiàn)振鈴。如果顯示的信號(hào)上出現(xiàn)明顯的振鈴，需要檢查確認(rèn)是被測(cè)信號(hào)的真實(shí)特征還是由于接地線引起的振鈴，檢查確認(rèn)的方法是使用盡量短的接地線。一般推薦使用盡量短的地線，一般地線電感=1nH/mm。

探頭的感性負(fù)載

示波器探頭如何補(bǔ)償校準(zhǔn)

示波器探頭補(bǔ)償校準(zhǔn)的步驟通常包括以下幾個(gè)方面：

1. 預(yù)熱：建議在開(kāi)機(jī)后預(yù)熱30分鐘，以確保示波器達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
2. 連接：將探頭連接到示波器的專(zhuān)用方波發(fā)生信號(hào)引腳上，這個(gè)引腳是專(zhuān)門(mén)用于探頭補(bǔ)償校準(zhǔn)的。
3. 調(diào)整：使用小螺絲刀調(diào)整探頭上的補(bǔ)償調(diào)節(jié)電容，使得方波信號(hào)呈現(xiàn)正確的形狀。正確的補(bǔ)償校準(zhǔn)應(yīng)該得到一個(gè)平坦的頂部和垂直的上升沿與下降沿的方波信號(hào)。
4. 匹配：通過(guò)調(diào)整，確保探頭與示波器之間的匹配，以保證測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。

此外，進(jìn)行探頭補(bǔ)償校準(zhǔn)的目的是確保探頭能夠準(zhǔn)確地傳遞被測(cè)信號(hào)，避免因探頭的頻率特性不匹配而導(dǎo)致的信號(hào)失真或測(cè)量誤差。這是因?yàn)樘筋^的輸入電阻和電容會(huì)影響信號(hào)的傳輸，特別是在高頻信號(hào)的測(cè)量中更為關(guān)鍵。

總的來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)時(shí)，需要注意探頭的類(lèi)型和示波器的規(guī)格，因?yàn)椴煌?lèi)型的探頭可能需要不同的校準(zhǔn)方法。例如，有源探頭和無(wú)源探頭的補(bǔ)償方式可能會(huì)有所不同。因此，在進(jìn)行校準(zhǔn)之前，最好參考探頭和示波器的用戶(hù)手冊(cè)，以獲取詳細(xì)的校準(zhǔn)指導(dǎo)。

示波器探頭使用中的誤解

誤解一 100 MHz 的“信號(hào)”，使用 100 MHz 的示波器探頭。

誤解二 只有高帶寬測(cè)量才需要有源探頭。

誤解三 所有示波器探頭的衰減比均為 10:1。

誤解四 只需建立穩(wěn)定的連接即可開(kāi)始測(cè)量。

誤解五 接地就是接地。

誤解六 使用電流探頭和電壓探頭測(cè)量功率。

誤解七 使用隔直 / 交流耦合來(lái)消除直流。

誤解八 不要把示波器探頭放在溫箱內(nèi)。

誤解九 電流探測(cè)器在測(cè)量“小”電流時(shí)不起作用。

誤解十 驅(qū)動(dòng)示波器的同時(shí)不能使用兩個(gè)探頭。

誤解十一 探測(cè)現(xiàn)代高密度目標(biāo)很難。

示波器的探頭要怎么選擇？

選擇示波器探頭時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素以確保探頭與測(cè)量需求的匹配性。以下是一些選擇探頭時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素：

1. 信號(hào)帶寬：探頭的帶寬應(yīng)至少與示波器的帶寬相匹配，以確保整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的帶寬能夠滿(mǎn)足被測(cè)信號(hào)的頻率范圍。
2. 探頭類(lèi)型：根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，選擇無(wú)源探頭或有源探頭。無(wú)源探頭適合低頻應(yīng)用，而有源探頭則適用于高頻或快速上升時(shí)間的信號(hào)測(cè)量。
3. 衰減率：探頭的衰減率決定了其能夠處理的最大電壓范圍。常見(jiàn)的衰減率有1X、10X等，其中10X探頭因其較高的輸入阻抗和較低的容性負(fù)載而廣泛應(yīng)用于大多數(shù)場(chǎng)合。
4. 連接方式：探頭的連接方式應(yīng)根據(jù)測(cè)試點(diǎn)的實(shí)際情況來(lái)選擇，如夾式、鉤式或針式等，以適應(yīng)不同的測(cè)試環(huán)境和需求。
5. 輸入阻抗：探頭的輸入阻抗應(yīng)盡可能高，以減少對(duì)電路的負(fù)載影響，特別是在測(cè)量微弱信號(hào)時(shí)更為重要。
6. 探頭長(zhǎng)度：較長(zhǎng)的探頭可能會(huì)引入更多的電感和電容，從而影響信號(hào)的傳輸，尤其是在高頻測(cè)量中。因此，選擇合適長(zhǎng)度的探頭以最小化這種影響是必要的。

示波器探頭的使用注意事項(xiàng)

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

1. 探頭與被測(cè)電路連接時(shí)，探頭的接地端務(wù)必與被測(cè)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(cè)量建立時(shí)間短的脈沖信號(hào)和高頻信號(hào)時(shí)，請(qǐng)盡量將探頭的接地導(dǎo)線與被測(cè)點(diǎn)的位置鄰近。接地導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)引起振鈴或過(guò)沖等波形失真。

3. 為避免接地導(dǎo)線影響對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)試，建議使用探頭的專(zhuān)用接地附件。

4. 為避免測(cè)量誤差，請(qǐng)務(wù)必在測(cè)量前對(duì)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?cè)谇懊嬉呀?jīng)介紹過(guò)，這里不再贅述。

5. 對(duì)于高壓測(cè)試，要使用專(zhuān)用高壓探頭，分清楚正負(fù)極后，確認(rèn)連接無(wú)誤才能通電開(kāi)始測(cè)量。

6. 對(duì)于兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)都不處于接地電位時(shí)，要進(jìn)行“浮動(dòng)”測(cè)量，也稱(chēng)差分測(cè)量，要使用專(zhuān)業(yè)的差分探頭。