示波器探头工作原理

       示波器探头不仅仅是把测试信号判定以示波器输入端的一段导线，而且是测量系统的重要组成部分。探头有很多种类型号各有其没的特性，以适应各种不同的专门工作的击破要，其中一类称为有源探头，探头内包含有源电子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件如电阻和电容。这种探头通常对输入信号进行衰减。

  我们将首先集中讨论通用无源探头，说明共主要技术指标以及探头对被测电路和被测信号的影响，接着简单介绍几种专用探头及其附近。

  屏蔽示波器探头的一个重要任务是确保只有希望观测的信号才在示波器上出现，如果我们仅仅使用一面导线来代替探头，那到它的作用就好象是一根天线，可以从无线电台、荧光灯，电机、50或60Hz的电源的交流声甚*当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号，其些这类噪声甚*还能抽向注入到被测电路中去所以我们首先需要的是屏蔽的电缆，示波器探头的屏蔽电缆通过们于探头**的接地线和被测电路连接，从而保证了很好的屏蔽。

  示波器探头带宽

  和示波器一们，示波器探头也具有其允许的有限带宽。如果我们使用一台100MHz的示波器和一个100MHz的探头，那么它们组合起来的响应就小于100MHz，探头的电容和示波器的输入电容相加，这就减小了系统的带宽，加大了显示的上升时间tr见**章1.3节上升时间。

  使用1.3节的公式

  tr(ns)=350/BW(MHz)

  如果示波器和探头各自均为100MHz带宽，其上升时间均为tr=3.5ns 。则有效系统上升时间就由下式给出：

  trsystem=sqr(t2rscope+t2rprobe)

  =sqr(3.52+3.52)ns

  =sqr(24.5)2ns

  =4.95ns

  根据4.95ns的系统上升时间求得，系统带宽为350/4.95MHz=70.7MHz。

  Fluke公司给所有示波器配备的探头都能使示波器保证在探头**获得规定的示波器带宽，从上述的计算可以看出，视觉要求探头本射的带宽要比示波器的带宽宽得多。

  示波器探头负载效应

  当我们进行测量时，我们常常以为测得的电压和电路中未连入示波器时是完全一样的。

  实际上，每个示波器探头都有其输入阻抗，输入阻抗包含了电阻、电容和电感分量。由于探头引入的额外负载，所以连入探头后就会影响被测电路我以当我们分析测量结果时必须考虑探头的特性以及测试电路的阻抗。

  有些示波器探头里没有串联的电阻，这类探头主要就由一段电缆和一个测试头构成，因此，在其工作频率范围或有用带宽之内，探头对信号没有衰减作用。这类探头称为1：1或X1探头。由于这类探头在测试点处将其自身的电容(包括电缆的电容)与示波器的输入阻抗连在了一起，所以这种探头具有负载效应。

  示波器探头的等效电路

  当信号频率啬时，探头的容性负载效应京戏得更加显著。由于电缆的类型和长度的不同以及探头本身构造等原因，1：1探头的输入电容通常可以从大约35pF到100pF以上，这等于给被测电路施加了一个低阻**素负载，具有47pF输入电容1：1探头在20MHz之下的电抗仅为169W，这就使得这个探头在此频率无法使用。

  衰减式探头减小了负载效应

  我们可以在探头中增加一个和示波器输入阻抗相串联的阻抗，用这种办法就可以减小探头的负载效应。然而，这就意味着输入电压不能完全加到示波器的输入端，因为我们现在已经引入了一个分压器。

  给出了一处简化的探头等效电路，Rp和Rs构成了一个10：1的分压器，Rs为示波器的输入阻抗。调节补偿电容C补偿使得探头和示波器械相匹配，视觉保证了在探头的**获得正确的频率响应曲线，宋一来就使得这种探头的频率响应比1：1探头频率响应要宽得多。

  10：1示波器探头电路图

  示波器的标准输入电阻为1MΩ。这就要求在探头中串联9MΩ的电阻，使得在低频时探头**的输入阻抗为10MΩ。

  探头补偿

  一个实际的10：1探头具有几个可调的电容和电阻以便在很宽的频率范围内获得正确的频率响应，这些可调元件的大多数都是在制造探头时由工厂调好的。只有一个微调电容留给用户去调节。这个电容称为低频补偿电容，应当通过调节这个电容使得探头和与相配用的示波器匹配，使用示波器前面板上的信号输出可以很容易地进行这项调节工作，示波器的这个输出端标有"探头调节"、"校准器""CAL"或者"探头校准"等标志，并能送出一个方波输出电压。方波中包含很多频率分量。当所有这些分量都以正确的幅度送*示波器时，就能在示流器屏幕上再现方波信号。图44示出探头欠补偿，正确补偿和过补偿的影响。

  在2kHz方波和1MHz正弦波之下观察不同探头补偿情况的影响。

  可以看出，在较高的的频率下探头过补偿和欠补偿和欠被偿情况下1MHz正弦波的幅度是很不准确的。

  所以在使用的衰减探头之前一定不要忘记检查探头的补偿情况。由于一台示波器的不同输入通道的输入电容可能有小的差异，所以您应当按照示波器上要使用的通道来进行探头补偿调整工作。

  示波器探头*大输入电压

  多数通用10：1探头的构造使这些探头适合于*大输入电压为峰值400V或500V的情况下使用，所以这些探头可以用于信号电平高达数百伏的广泛的应用场合，对于需要测量更高电压的场面合，我们推荐使用电压额定值更高的100：1探头。

  示波器探头读出

  现代示波器探头都装有编码系统，使得示波器能够识别与它相连年的探头类型。从而使示波器能够高速垂直偏转指示值及所有幅度测量结果以避免发生泥淆。而如果使用不带这种识别系统的探头，则用户就不得不自己为所有波形显示和测量结果重新定樯以便反映出探头的衰减量。

  接地引线电感

  说明探头的接地引线电感如何与探头及示波器的输入电容形成串联谐振电路。而探头的输入电阻则在谐振电路中引入阻尼。

  带有接地引线电感的示波器探头等效电路

  像其它谐振电路一亲，如果在探头上加入阶跃电压则此谐振电路也会发生振铃现象，过大的接地引线电感还会使示波器显示的上升时间变差，图46显示出使用不同长度的接地引线时，连*示波器的快速上升沿脉冲的显示波形。

  接地引线对脉冲响应的影响

  从图中我们可以清楚的看到接地引线电感对测量结果的影响，所以一定要使探头的接地引线尽可能的短，特别是在测高频和快速上升沿的信号时尤应注意。

  安全接地

  为保证电气上的安全，多数示波器都通过电源线与安全地线相连。被测信号有可能和地线具有相同的参考电位，但并非必然如此，因此在连接探头的地线时，一定要注意不要因此而把被测系统的某一部分短路。另一方面，既使被测系统和示波器的地线具有相同的参考电位，这也并不意味着可以用安全地线来作信号返回通路，这是由于安全地线连接走线很长，具有很大的引线电感，因此不适合作信号返回通路。这时一定要用探头的接地引线来作为信号的参考地线。

  示波器探头类型

  我们已经研究了10：1和1：1两种探头，此外还有多种其它类型的通用探头。

  可切换式示波器探头

  这种探头将10：1探头和1：1探头容为一体，使用起来非常方便，在一般情况下*好使用10：1档，因为在这一档探头对被测电路的负载效应小，而且频带宽。而1：1档则可在测量低频低电平信号时使用。

  衰减器示波器探头

  另一种常用的衰减器探头为100：1探头，其输入电容较低，典型值为2.5pF，输入电阻为20MW，探头的额定电压值很高，典型值为4KV。因此这种探头适合于在测量高压变换器等电压很高的场合使用。

  FET示波器探头

  这是一种可在高频下使用的有源探头，其使用频率可达650MHz。其输入电容可低达1.4pF，因此特别适合于在具有很高源阻抗的电路中测量快速瞬变，或者其它要求探头负载效应*小的场合。由于采用有源设计方案，所以FET探头也可用于1：1的情况，仍具有极低的输入电容。

  电流示波器探头

  顾名思义，使用这种探头时示波器上显示的是导体中的电流而不是其上的电压。在这种探头的头上装有一个电流感应变压器，使用时只要把探头卡到电缆导线上而无需切断电路，探头获得的信号首先变换成电压，再经过比例变换后送到示波器的端，这时示波器显示的单位为A/格或mA/格。探头的频率范围可达70MHz以上。

  使用电流探头以后，具有数学处理能力的示波器就可以通过将电压波形和电流波形相乘来进行功率的测量，详细情况见2.3节。

  隔离放大器

  隔离放大器虽然不是一般意义下的探头，但我们可以把它看成是一种用来把示波器测量点和地电位隔离开来的特殊类?quot;探头"。这种"探头"之所以必要是因为，除非使用电源隔离变压器或者电池来为示波器供电，不然的话，示波器的输入参考地线总是在地电位，采用隔离放大器还使我们能够测量叠加于很大的共模电压之上的小信号(见图47)。隔离放大器的输入单元整个由塑料构成。并由电池供电，以保证安全。隔离放大器大都应用在电力和控制系统等领域。

  图47 具有共模电压的电路 带有命令开关的示波器探头

  在探头方面的一项*新改进是针对使用探头进行大量测试工作的用户。在PM3094和PM3394A系列的示波器中，Fluke公司采用了一项称为探头命令开关的新技术，为此在探头体上装了一个小开关，使用空虚开关可以启动预选的功能，如启动自动设置，或者从设置存储器中选择另一组设置参数，在组合示波器中命令开送还可以用来启动"接触、保持和测量"功能，即进行一次采集，将波形冻结并根据存贮的波形进行多咱参数的测量。

  4.3 其它附件

  示波器还可配备多种附件，其中有些附件是为了使示波器适合于在某种测量环境下使用，例如：接口，上架机件及软件包，而另一些附件则有助于方便、有条有理的携带示波器及探头或者有助于专门的测量工作。

  视频行选择器

  这个附近件对于视频工程师的工作是极理想的工具。它能生成行、场及帧同步脉冲用以触发示波器，使得视频工程师可以对某一视频行的各部分进行研究。通过开关可以观察行的另码，当该行到来时示波器就触发。

  某些型号的示波器，如PM3394A具有内置式的视频行选择器。这时，此功能的控制机构则为示波器控制机构的一部分。

  终端负载

  当测量低阻抗系统时，示波器必须配以正确的终端负载以避免信号失真。某些示波器的输入端可以由开关切换成50Ω的输入阻抗。对于没有这种功能的示波器则可使用这种终端负载附件来和示波器的输入端配合使用，终端负载的衰减系数有1：1、10：1及100：1多咱。此外还有75Ω规格的终端负载可供其它视频系统使用。

  示波器探头接口

  在示波器*常见的接口是RS-232接口和GPIB接口(详见2.4节)，使用这些接口可以将数据传给示波器或者从示波器取出，虽然通过接口传送波形可能只限于数字存储示波器，但是模拟示波器也可配备接口以便对示波器的设置进行远程控制。

  电池和逆变器

  这些附件使台式示波器可以在没有市电的场合，如车辆或收音机中使用，还能使示波器能进行对地浮置的测量。这也意味着，当被测系统处于地电位时，使用这类附件可以避免地回路。

  其它配件

  携带箱可在运输时保护示波器，这对于经常外出施行的用户非常有价值。

  附件盒可以和示波器配套，保存探头及其它小的附件。由于探头应当按照它所配用的示波器来调整，所以给示波器配以附件盒是非常有用的。

  保护罩可以保护示波器的前面板不致损伤和弄脏。

  示波器可以使用户很方便的在实验室的不同地点经常流动使用示波器，并且常常还要以有来存放附件及硬考设备。有些示波器还可以再配备附加的存储器盒，晕样当示波器开机后就可以恢复关机关原来的设置状态。

  4.4 软件

  可供用户使用的软件包有很多种，其中有些用来进行简单的波形传送及在计算机中存贮波形;而另一些软件则有来进行复杂的数据分析。下面介绍若干专门为测度仪器设计的软件包的实例。

  图48 视频行选择器和选择的视频行信号通讯软件

  有多种软件包可以实现将波形从示波器传送到PC机，并将其存贮在PC机的硬盘上。示波器捕获的波形可以和示波器的设置一起在PC机的屏幕上显示出来，而且还能将这些信息存贮在硬盘上便随时调用。

  有些软件包还能将波形由计算机送回给示波器作为参考波形使用。如果对传送时间的要求不苛刻，通常使用RS-232接口来实现示波器与计算机之间的连接。这是因为每个PC机上都有RS-232接口，使用非常方便。某些软件包还能以HP-GL文件的形式传送和存贮波形。使用市场上已有的文字处理软件可以把这种文件作为图形直接编入文件中去，本书中大量的屏幕波形图就是这样生成的。

  另一些软件包，如AnyWave给示波器增添了宝贵的自动测试功能。例如，可以使用这类程序生成测试的范围(样板)，定义出上限和下限的波形曲线，然后就可以用这个测试样板作为参考标准进行立即的、自动的通过/不通过测试。测量的波形可以通过RS-232或者IEEE通讯接口传送给PC机，并将不通过的波形自动存贮下来。

  对于装有样板测试功能的示波器来说AnyWave软件也使得测试包络的生成更加容易，使用PC机的键盘和鼠标就可以对包络进行编辑。如果愿意，也可以从一个采集到的波形出发来生成包络。

  除此之外，AnyWave软件还可用来为任意波形发生器生成波形描述数据。

  存贮的波形还可以用统计图表软件包或者专门的分析软件来进行处理。

  编程环境软件

  这些软件包能为使用标准编程语言，如"Quick-Basic"或"C"等编写测试程序提供一种编程环境。在这种编程环境下，应用程序的开发工作变得更加容易、更加有效、更加迅速。使用诸如TestTeam和LabWindows等软件包，则可以提供各种仪器的驱动程序，使编程工作进一步简化，这些软件包不仅能支持示波器的应用，而且有助于在使用诸如多表表、信号发生器、程控电源、频率计和信号并关等多种仪器时编写测试程序。晕样编写的程序可以在TestTeam的环境下执行，也可以转换成独立的可执行文件来控制测试系统。