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示波器探�
閱讀�8012時間�2010-11-18 20:49:02

示波�探頭對測量結(jié)果的準確性以及正確性至�(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,造成被測電路的負載增加,使被測信號失��

原理

  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�(huán)節(jié),如果信號在探頭處就已經(jīng)失真�,那么示波器做的再好也沒有用。實際上探頭的設(shè)計要比示波器難得�,因為示波器�(nèi)部可以做很好的屏蔽,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,難度要大得多。因此最早高帶寬的實時示波器剛出�(xiàn)時是沒有相應(yīng)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�,這其中包�2部分的含義:1、探頭對被測電路的影��2、探頭造成的信號失�。理想的探頭�(yīng)該是對被測電路沒有任何影�,同時對信號沒有任何失真的。遺憾的�,沒有真正的探頭能同時滿足這兩個條�,通常都需要在這兩個參�(shù)間做一些折��

  為了考量探頭對測量的影響,我們�??梢园烟筋^模型簡單等效為一個R、L、C的模�,把這個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�,為了盡可能減少對被測電路的影響,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,所以就會和被測電路�(chǎn)生分�,實際測到的電壓可能不是探頭點上之前的真實電�,這在一些電源或放大器電路的測試中會�(jīng)常遇�。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�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。這個電容不是刻意做進去�,而是探頭的寄生電�。這個寄生電容也是影響探頭帶寬的最重要因素,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�(yīng)該為0,但是實際做不到。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(jīng)常被忽視,尤其是在高頻測量的時候。電感來自于哪里�?我們知道有�(dǎo)線就會有電感,探頭和被測電路間一定會有一段導(dǎo)線連接,同時信號的回流還要�(jīng)過探頭的地線。通常1mm探頭的地線會有大�1nH的電�,信號和地線越長,電感值越�。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�(chǎn)生高頻諧振,造成信號的失�。所以高頻測試時需要嚴格控制信號和地線的長�,否則很容易�(chǎn)生振鈴�

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�、電流探�、光探頭等。所謂的無源探頭,是指整個探頭都由無源器件構(gòu)�,包括電�、電容、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�3伏的單端信號�

  無源探頭:一般用于測試帶寬小�500M Hz的單端信�。它是比較經(jīng)濟的一類探��

  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��

  電流探頭:一般利用霍爾效�(yīng)來測試電流信�。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比較少,可以測量帶寬9G Hz�

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

使用注意事項

  首先是帶�,這個通常會在探頭上寫�,多少MHz。如果探頭的帶寬不夠,示波器的帶寬再高也是無�,瓶頸效�(yīng)�

  另外就是探頭的阻抗匹�。探頭在使用之前�(yīng)該先對其阻抗匹配部分進行�(diào)節(jié)。通常在探頭的靠近示波器一端有一個可�(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�。如果阻抗不匹配的話,測量到的波形將會變�。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個調(diào)節(jié)端子,在小孔�,需要用螺絲刀伸進去�(diào)節(jié)。數(shù)字示波器不用�(diào)節(jié)�。然后,再將示波器的輸入選擇打到直流耦合�,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�,通常�1KHz的方波信號),然后調(diào)節(jié)掃描時間旋鈕,使波形能夠顯示2個周期左右。調(diào)節(jié)Y軸增益旋�,使波形的峰-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�,沒有過沖為歀當�,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,這時只能�(diào)到效果了�

  另外就是示波器上還有一個選擇量程的小開�(guān):X10和X1。當選擇X1檔時,信號是沒經(jīng)衰減進入示波器的。而選擇X10檔時,信號是�(jīng)過衰減到1/10再到示波器的。因�,當使用示波器的X10檔時,應(yīng)該將示波器上的讀�(shù)擴大10倍(有些示波器,在示波器端可選擇X10�,以配合探頭使用,這樣在示波器端也�(shè)置為X10檔后,直接讀�(shù)即可�。當我們要測量較高電壓�,就可以利用探頭的X10檔功�,將較高電壓衰減后進入示波�。另外,X10檔的輸入阻抗比X1檔要高得�,所以在測試�(qū)動能力較弱的信號波形�,把探頭打到X10檔可更好的測�。但要注�,在不確信號電壓高低�,也�(yīng)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(yǎng)成這樣的習慣是很有必要�,不�,哪天萬一因為這樣損壞了示波器,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?一個可能的原因就是因為使用的是探頭的X1�,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(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�。這是使用中應(yīng)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�,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,就會看到一個很大的50Hz的信�,這是因為示波器的地線沒連好,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�(jīng)常使�,可能會�(dǎo)致地線斷路。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�(yīng)該能看到波形,通常是一�50Hz的信�。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(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�(yīng)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�(jīng)損壞。通常是連接夾子那條線斷�,通常重新焊上即可,必要時可更�,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�(huán)境下。示波器探頭的地線夾子應(yīng)該要靠近測量�,尤其是測量頻率較高、幅度較小的信號�。因為長長的地線,會形成一個環(huán),它就像一個線�,會感應(yīng)到空間的電磁�。另外系�(tǒng)中的地線中流較大時,也會在地線上�(chǎn)生壓�,所以示波器探頭的地線應(yīng)該連接到靠近被測試點附近的地上�

測量影響

     負載效應(yīng)
     所謂負載效�(yīng)就是在被測電路上接入示波器時,有時示波器的輸入電阻會對被測電路產(chǎn)生影�,致使被測電路的信號�(fā)生變�。若負載效應(yīng)的影響很大,就不能準確地進行波形測量。若要減小負載效�(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,負載效�(yīng)就越��
     在示波器測量�,另外一種負載效�(yīng)指的是探頭對被測電路的負載效�(yīng),為保證測量的準確性,需要減輕探頭對被測電路的負載效�(yīng),不至影響到被測信號,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�1MHz以下)探頭的負載主要是阻抗作�;高頻時�10MHz以上)探頭的負載主要是容抗作用。為了減輕探頭對被測電路的負載作�,應(yīng)選擇高阻�、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。有源探頭的負載作用�(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�,對被測儀器進行測試時不�(yīng)影響它的正常工作,測量值也�(yīng)和未接測試儀器時相同。當連接儀器進行測量�,要考慮阻抗對測量準確性的影響,為了保證儀器之間能夠傳送的功率,阻抗應(yīng)該匹配。如果阻抗為純電�,應(yīng)使輸入阻抗與輸出阻抗的值相等。如果阻抗包含電抗成分應(yīng)使負載的輸入阻抗與源的輸出阻抗共軛匹�,這時能夠傳送功率�
     阻抗匹配的阻抗值通常和使用的傳輸線的特性阻抗值一�。對于射頻系�(tǒng),一般采�50Ω阻抗。對于高阻抗儀器,由于等效并聯(lián)電容的存�,隨著頻率升高,并聯(lián)組合阻抗逐漸變小,將對被測電路形式負�。如1MΩ輸入阻抗,在頻率達到100MHz�,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輸入阻抗時,必須考慮�50Ω輸入阻抗的負載效�(yīng)比較明顯,此時使用低電容的有源探頭�
     電容負荷
     隨著信號頻率或轉(zhuǎn)換速率提高,阻抗的電容成分變成主要因素。結(jié)果,電容負荷成為主要問題,特別是電容負荷會影響快速轉(zhuǎn)換波形的上升時間和下降時間及波形中高頻成分幅��

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