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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。