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示波器探頭分類及詳細介紹
示波器是一種用途廣泛的電子測量儀器。它利用電子示波器的特性,將人眼不能直接觀察到的交變電信號轉(zhuǎn)換成圖像,顯示在熒光屏上進行測量。使用示波器,可以觀察到各種信號幅度隨時間變化的波形,還可以用來測試各種電氣量,如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅等。示波器的一個組成部分是示波器探頭。
一、示波器探頭介紹
示波器探頭在測試點或信號源與示波器之間建立物理和電氣連接;實際上,示波器探頭是將信號源連接到示波器輸入端的一種設(shè)備或網(wǎng)絡(luò),它必須在信號源和示波器輸入端之間提供足夠方便和高質(zhì)量的連接。連接充分性存在三個關(guān)鍵問題:物理連接、對電路運行的影響和信號傳輸。
2、示波器探頭的分類
市場上有成百上千種不同的示波器探頭。示波器探頭的技術(shù)指標之一是頻率特性。按頻率劃分探頭類型很方便,但示波器探頭的頻率覆蓋范圍有限,很難按LF、HF、VHF、UHF、RF等無線電頻段進行劃分。示波器探頭是所有探頭之一。z常用的探頭是電壓探頭和電流探頭,通常根據(jù)測量對象對探頭進行分類。
1 無源電壓探頭
1.1 無源探頭
無源探頭由電線和連接器組成,在需要補償或衰減時還包括電阻器和電容器。探頭中沒有有源元件(晶體管或放大器),因此無需為探頭供電。無源探頭通常是z堅固、z經(jīng)濟的探頭,它們不僅易于使用,而且用途廣泛。
1.2 高阻抗無源電壓探頭
從實際需要來看,使用最多的電壓探頭是高阻抗無源電壓探頭,占比最大。無源電壓探頭針對不同的電壓范圍提供 1×、10× 和 100× 的各種衰減因子。在這些無源探頭中,10×無源電壓探頭是z常用的探頭。信號幅度對于 1V 峰峰值或更低的應(yīng)用,1× 探頭可能更合適,甚至是bi不可少的。在中低幅度信號混合的應(yīng)用中(幾十毫伏到幾十伏),可切換的 1×/10× 探頭更加方便。然而,可切換的 1×/10× 探頭本質(zhì)上是一種產(chǎn)品中的兩種不同探頭,不僅具有不同的衰減系數(shù),而且具有不同的帶寬、上升時間和阻抗(R 和 C)特性。因此,這些探頭無法與示波器的輸入wan美匹配,也無法提供標準 10 倍探頭所能達到的最佳性能。
1.3 低阻無源電壓探頭
大多數(shù)高阻抗無源探頭的帶寬范圍從小于 100MHz 到 500MHz 或更高。另一方面,低阻抗無源電壓探頭(也稱為 50 歐姆探頭、Zo 探頭、分壓器探頭)具有良好的頻率特性,使用與同軸電纜匹配的探頭,帶寬高達 10GHz,上升幅度為 100 皮秒或更快的時間。該探頭設(shè)計用于 50 歐姆環(huán)境,通常是高速設(shè)備表征、微波通信和時域反射計 (TDR)。
1.4 無源高壓探頭
“高壓"是一個相對概念。從探頭的角度來看,我們可以將高壓定義為超過典型通用 10 倍無源探頭可以安全處理的電壓。高壓探頭需要良好的介電強度,以確保用戶和示波器的安全。
2. 有源電壓探頭
2.1 有源探頭
有源探頭包含或依賴于晶體管等有源器件。最常見的是,有源器件是一種場效應(yīng)晶體管 (FET),它提供非常低的輸入電容,從而在更寬的頻帶上產(chǎn)生高輸入阻抗。從下面的Xc公式可以看出:
2.2 有源 FET 探頭
有源 FET 探頭的規(guī)定帶寬一般在 500MHz 和 4GHz 之間。除了更高的帶寬之外,有源 FET 探頭的高輸入阻抗允許在未知阻抗的測試點進行測量,并且負載效應(yīng)的風(fēng)險要低得多。此外,由于電容低,地線效應(yīng)降低,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)范圍通常在 ±0.6V 和 ±10V 之間。
2.3 有源差分探頭
差分信號是交叉參考信號,而不是接地參考信號。差分探頭可以測量浮動裝置的信號。本質(zhì)上,它是由兩個對稱的電壓探頭組成,分別具有良好的絕緣性和對場的高阻抗。差分探頭在更寬的頻率范圍內(nèi)提供高共模抑制比 (CMRR)。
3 電流探頭
原則上,用電壓探頭測得的電壓值除以測得的阻抗值,很容易得到電流值。但實際上這種測量引入的誤差是很大的,所以一般不采用將電壓轉(zhuǎn)換為電流的方法。電流探頭可以精確測量電流波形,方法是利用電流互感器輸入,信號電流磁通經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換成電壓,再經(jīng)探頭內(nèi)的放大器放大后送入示波器。
3.1 交流電流探頭
在交流電流互感器中,隨著電流方向的改變,電場發(fā)生變化,感應(yīng)出電壓。交流電流探頭是無源設(shè)備,不需要外部電源。
3.2 直流電流探頭
傳統(tǒng)的電流探頭只能測量交流信號,因為穩(wěn)定的直流電流不能在變壓器中感應(yīng)出電流。然而,利用霍爾效應(yīng),被電流偏置的半導(dǎo)體器件會產(chǎn)生對應(yīng)于直流電場的電壓。因此,直流電流探頭是一種需要外部電源的有源器件。
因此,電流探頭基本上分為兩類:交流電流探頭和交直流電流探頭。 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 個邏輯探頭
使用示波器觀察和分析數(shù)字波形的模擬特性時,需要使用邏輯探頭。為了找出確切的原因,數(shù)字設(shè)計人員通常需要查看在特定邏輯條件下出現(xiàn)的特定數(shù)據(jù)脈沖。這需要邏輯觸發(fā)功能。圖 3 是邏輯探頭的示意圖,可以添加到大多數(shù)示波器中。
5 其他探頭
由于示波器的應(yīng)用范圍廣泛,除上述探頭類型外,還有各種特殊探頭。這些專業(yè)探頭根據(jù)其前端傳感器具有不同的功能。我們將在下面介紹其中的兩個。僅供讀者理解。
原理上,光電探頭是普通電壓探頭和光電轉(zhuǎn)換器件的組合,可以直接測量光器件和光纖傳輸?shù)墓庑盘枴?/span>
溫度探頭是普通電壓探頭和溫度傳感器的組合,可以直接測量物體的溫度。溫度探頭是傳感器探頭的一種。各種傳感器探頭和示波器可以測量各種物理量。
三、示波器探頭使用注意事項
將被測信號正確連接到示波器是測試工作的第一步。這里我們主要介紹將探頭連接到被測電路時的注意事項。
1、探頭與被測電路連接時,探頭的接地端必須與被測電路的地線相連。否則,在懸掛狀態(tài)下,示波器與其他設(shè)備或大地之間的電位差可能導(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,請盡量將探頭的地線靠近被測點。過長的接地線可能會導(dǎo)致波形失真,例如振鈴或過沖。
3、為防止地線影響高頻信號的測試,建議使用探頭專用的接地附件。圖 8 顯示了典型通用電壓探頭隨附的標準測試附件。
4、為避免測量誤差,測量前請務(wù)必檢查校準探頭。探頭衰減補償?shù)男试砗头椒ㄇ懊嬉呀?jīng)介紹過,這里不再贅述。
5. 高壓測試,使用專用高壓探頭。區(qū)分正負極后,確認連接無誤后即可開始測量。
6、當兩個測試點不處于地電位時,應(yīng)進行“浮動"測量,也稱為差分測量,應(yīng)使用專業(yè)的差分探頭。
7 總結(jié)
探頭對于示波器測量至關(guān)重要,因此要求探頭對探測電路的影響最小,并且希望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的運行方式,示波器將看到實際信號的失真結(jié)果,這可能導(dǎo)致錯誤或誤導(dǎo)性的測量。從上面的介紹可以看出,在探頭的選擇和正確使用上,有很多值得注意的地方。只有與示波器和被測電路匹配良好的探頭才是您應(yīng)該選擇和使用的探頭。