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示波器探頭原理---示波器探頭工作原理
2013-03-01
示波器探頭原理---示波器探頭工作原理
示波器探頭不僅僅是把測(cè)試信號(hào)判定以示波器輸入端的一段導(dǎo)線，而且是測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。探頭有很多種類型號(hào)各有其沒的特性，以適應(yīng)各種不同的專門工作的擊破要，其中一類稱為有源探頭，探頭內(nèi)包含有源電子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探頭稱為無源探頭，其中只包含無源元件如電阻和電容。這種探頭通常對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減。
我們將首先集中討論通用無源探頭，說明共主要技術(shù)指標(biāo)以及探頭對(duì)被測(cè)電路和被測(cè)信號(hào)的影響，接著簡(jiǎn)單介紹幾種專用探頭及其附近。
屏蔽
示波器探頭的一個(gè)重要任務(wù)是確保只有希望觀測(cè)的信號(hào)才在示波器上出現(xiàn)，如果我們僅僅使用一面導(dǎo)線來代替探頭，那到它的作用就好象是一根天線，可以從無線電臺(tái)、熒光燈，電機(jī)、50或60Hz的電源的交流聲甚至當(dāng)?shù)貥I(yè)余無線電愛好者那里接收到很多不希望的干擾信號(hào)，其些這類噪聲甚至還能抽向注入到被測(cè)電路中去所以我們首先需要的是屏蔽的電纜，示波器探頭的屏蔽電纜通過們于探頭尖端的接地線和被測(cè)電路連接，從而保證了很好的屏蔽。
示波器探頭帶寬
和示波器一們，示波器探頭也具有其允許的有限帶寬。如果我們使用一臺(tái)100MHz的示波器和一個(gè)100MHz的探頭，那么它們組合起來的響應(yīng)就小于100MHz，探頭的電容和示波器的輸入電容相加，這就減小了系統(tǒng)的帶寬，加大了顯示的上升時(shí)間tr見第一章1.3節(jié)上升時(shí)間。
使用1.3節(jié)的公式
tr(ns)=350/BW(MHz)
如果示波器和探頭各自均為100MHz帶寬，其上升時(shí)間均為tr=3.5ns 。則有效系統(tǒng)上升時(shí)間就由下式給出：
trsystem=sqr(t2rscope+t2rprobe)
=sqr(3.52+3.52)ns
=sqr(24.5)2ns
=4.95ns
根據(jù)4.95ns的系統(tǒng)上升時(shí)間求得，系統(tǒng)帶寬為350/4.95MHz=70.7MHz。
Fluke公司給所有示波器配備的探頭都能使示波器保證在探頭尖端獲得規(guī)定的示波器帶寬，從上述的計(jì)算可以看出，視覺要求探頭本射的帶寬要比示波器的帶寬寬得多。
示波器探頭負(fù)載效應(yīng)
當(dāng)我們進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們常常以為測(cè)得的電壓和電路中未連入示波器時(shí)是完全一樣的。
實(shí)際上，每個(gè)示波器探頭都有其輸入阻抗，輸入阻抗包含了電阻、電容和電感分量。由于探頭引入的額外負(fù)載，所以連入探頭后就會(huì)影響被測(cè)電路我以當(dāng)我們分析測(cè)量結(jié)果時(shí)必須考慮探頭的特性以及測(cè)試電路的阻抗。
有些示波器探頭里沒有串聯(lián)的電阻，這類探頭主要就由一段電纜和一個(gè)測(cè)試頭構(gòu)成，因此，在其工作頻率范圍或有用帶寬之內(nèi)，探頭對(duì)信號(hào)沒有衰減作用。這類探頭稱為1：1或X1探頭。由于這類探頭在測(cè)試點(diǎn)處將其自身的電容（包括電纜的電容）與示波器的輸入阻抗連在了一起，所以這種探頭具有負(fù)載效應(yīng)。見圖42。
示波器探頭的等效電路
當(dāng)信號(hào)頻率嗇時(shí)，探頭的容性負(fù)載效應(yīng)京戲得更加顯著。由于電纜的類型和長(zhǎng)度的不同以及探頭本身構(gòu)造等原因，1：1探頭的輸入電容通?？梢詮拇蠹s35pF到100pF以上，這等于給被測(cè)電路施加了一個(gè)低阻抗菌素負(fù)載，具有47pF輸入電容1：1探頭在20MHz之下的電抗僅為169W，這就使得這個(gè)探頭在此頻率無法使用。
衰減式探頭減小了負(fù)載效應(yīng)
我們可以在探頭中增加一個(gè)和示波器輸入阻抗相串聯(lián)的阻抗，用這種辦法就可以減小探頭的負(fù)載效應(yīng)。然而，這就意味著輸入電壓不能完全加到示波器的輸入端，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在已經(jīng)引入了一個(gè)分壓器。
給出了一處簡(jiǎn)化的探頭等效電路，Rp和Rs構(gòu)成了一個(gè)10：1的分壓器，Rs為示波器的輸入阻抗。調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容C補(bǔ)償使得探頭和示波器械相匹配，視覺保證了在探頭的尖端獲得正確的頻率響應(yīng)曲線，宋一來就使得這種探頭的頻率響應(yīng)比1：1探頭頻率響應(yīng)要寬得多。
10：1示波器探頭電路圖
示波器的標(biāo)準(zhǔn)輸入電阻為1MΩ。這就要求在探頭中串聯(lián)9MΩ的電阻，使得在低頻時(shí)探頭尖端的輸入阻抗為10MΩ。
探頭補(bǔ)償
一個(gè)實(shí)際的10：1探頭具有幾個(gè)可調(diào)的電容和電阻以便在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得正確的頻率響應(yīng)，這些可調(diào)元件的大多數(shù)都是在制造探頭時(shí)由工廠調(diào)好的。只有一個(gè)微調(diào)電容留給用戶去調(diào)節(jié)。這個(gè)電容稱為低頻補(bǔ)償電容，應(yīng)當(dāng)通過調(diào)節(jié)這個(gè)電容使得探頭和與相配用的示波器匹配，使用示波器前面板上的信號(hào)輸出可以很容易地進(jìn)行這項(xiàng)調(diào)節(jié)工作，示波器的這個(gè)輸出端標(biāo)有"探頭調(diào)節(jié)"、"校準(zhǔn)器""CAL"或者"探頭校準(zhǔn)"等標(biāo)志，并能送出一個(gè)方波輸出電壓。方波中包含很多頻率分量。當(dāng)所有這些分量都以正確的幅度送至示波器時(shí)，就能在示流器屏幕上再現(xiàn)方波信號(hào)。圖44示出探頭欠補(bǔ)償，正確補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)挠绊憽?/p>
在2kHz方波和1MHz正弦波之下觀察不同探頭補(bǔ)償情況的影響。
可以看出，在較高的的頻率下探頭過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償和欠被償情況下1MHz正弦波的幅度是很不準(zhǔn)確的。
所以在使用的衰減探頭之前一定不要忘記檢查探頭的補(bǔ)償情況。由于一臺(tái)示波器的不同輸入通道的輸入電容可能有小的差異，所以您應(yīng)當(dāng)按照示波器上要使用的通道來進(jìn)行探頭補(bǔ)償調(diào)整工作。
示波器探頭最大輸入電壓
多數(shù)通用10：1探頭的構(gòu)造使這些探頭適合于最大輸入電壓為峰值400V或500V的情況下使用，所以這些探頭可以用于信號(hào)電平高達(dá)數(shù)百伏的廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于需要測(cè)量更高電壓的場(chǎng)面合，我們推薦使用電壓額定值更高的100：1探頭。
示波器探頭讀出
現(xiàn)代示波器探頭都裝有編碼系統(tǒng)，使得示波器能夠識(shí)別與它相連年的探頭類型。 從而使示波器能夠高速垂直偏轉(zhuǎn)指示值及所有幅度測(cè)量結(jié)果以避免發(fā)生泥淆。而如果使用不帶這種識(shí)別系統(tǒng)的探頭，則用戶就不得不自己為所有波形顯示和測(cè)量結(jié)果重新定檣以便反映出探頭的衰減量。
接地引線電感
說明探頭的接地引線電感如何與探頭及示波器的輸入電容形成串聯(lián)諧振電路。而探頭的輸入電阻則在諧振電路中引入阻尼。
帶有接地引線電感的示波器探頭等效電路
像其它諧振電路一親，如果在探頭上加入階躍電壓則此諧振電路也會(huì)發(fā)生振鈴現(xiàn)象，過大的接地引線電感還會(huì)使示波器顯示的上升時(shí)間變差，圖46顯示出使用不同長(zhǎng)度的接地引線時(shí)，連至示波器的快速上升沿脈沖的顯示波形。
接地引線對(duì)脈沖響應(yīng)的影響
從圖中我們可以清楚的看到接地引線電感對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，所以一定要使探頭的接地引線盡可能的短，特別是在測(cè)高頻和快速上升沿的信號(hào)時(shí)尤應(yīng)注意。
安全接地
為保證電氣上的安全，多數(shù)示波器都通過電源線與安全地線相連。被測(cè)信號(hào)有可能和地線具有相同的參考電位，但并非必然如此，因此在連接探頭的地線時(shí)，一定要注意不要因此而把被測(cè)系統(tǒng)的某一部分短路。另一方面，既使被測(cè)系統(tǒng)和示波器的地線具有相同的參考電位，這也并不意味著可以用安全地線來作信號(hào)返回通路，這是由于安全地線連接走線很長(zhǎng)，具有很大的引線電感，因此不適合作信號(hào)返回通路。這時(shí)一定要用探頭的接地引線來作為信號(hào)的參考地線。
示波器探頭類型
我們已經(jīng)研究了10：1和1：1兩種探頭，此外還有多種其它類型的通用探頭。
可切換式示波器探頭
這種探頭將10：1探頭和1：1探頭容為一體，使用起來非常方便，在一般情況下最好使用10：1檔，因?yàn)樵谶@一檔探頭對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)小，而且頻帶寬。而1：1檔則可在測(cè)量低頻低電平信號(hào)時(shí)使用。
衰減器示波器探頭
在示波器最常見的接口是RS-232接口和GPIB接口（詳見2.4節(jié)），使用這些接口可以將數(shù)據(jù)傳給示波器或者從示波器取出，雖然通過接口傳送波形可能只限于數(shù)字存儲(chǔ)示波器，但是模擬示波器也可配備接口以便對(duì)示波器的設(shè)置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
電池和逆變器
這些附件使臺(tái)式示波器可以在沒有市電的場(chǎng)合，如車輛或收音機(jī)中使用，還能使示波器能進(jìn)行對(duì)地浮置的測(cè)量。這也意味著，當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)處于地電位時(shí)，使用這類附件可以避免地回路。
其它配件
攜帶箱可在運(yùn)輸時(shí)保護(hù)示波器，這對(duì)于經(jīng)常外出施行的用戶非常有價(jià)值。
附件盒可以和示波器配套，保存探頭及其它小的附件。由于探頭應(yīng)當(dāng)按照它所配用的示波器來調(diào)整，所以給示波器配以附件盒是非常有用的。
保護(hù)罩可以保護(hù)示波器的前面板不致?lián)p傷和弄臟。
示波器可以使用戶很方便的在實(shí)驗(yàn)室的不同地點(diǎn)經(jīng)常流動(dòng)使用示波器，并且常常還要以有來存放附件及硬考設(shè)備。有些示波器還可以再配備附加的存儲(chǔ)器盒，暈樣當(dāng)示波器開機(jī)后就可以恢復(fù)關(guān)機(jī)關(guān)原來的設(shè)置狀態(tài)。來源：電能質(zhì)量分析儀 http://easygofood.com/
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