常見(jiàn)探頭種類

　　常見(jiàn)探頭分類如下圖所示：

　　其中無(wú)源探頭常見(jiàn)的有1×、10×、100×三種規(guī)格，一般情況下，1×探頭多為低帶寬探頭，適用于測(cè)量低頻低電壓的信號(hào)，100×探頭耐壓值一般較高，適用于一些高壓測(cè)量情景，而10×探頭的帶寬一般都比較高，適用于較高速信號(hào)的測(cè)量。

　　有源探頭中，高速差分探頭適用于高速信號(hào)的測(cè)量，其帶寬很高，而且探頭負(fù)載效益很小，但是一般都價(jià)格昂貴。高壓差分探頭一般適用于對(duì)高壓場(chǎng)合的測(cè)試，與無(wú)源探頭相比，不僅輸入電壓更高，一般都在1000V以上，而且由于其兩根測(cè)量線對(duì)地阻抗都非常高，使其可以直接進(jìn)行非接地測(cè)量，比如在測(cè)量市電時(shí)，無(wú)源探頭的地線必須接到市電的地線上，只能測(cè)量L或者N與地線之間的電壓，而高壓差分探頭卻可以進(jìn)行任意兩線間的測(cè)量。電流探頭用于對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量，有些電流探頭只能測(cè)量交流，有些也可以進(jìn)行直流測(cè)量。

　　探頭的使用注意事項(xiàng)

　　在探頭的使用上，還需要考慮一些問(wèn)題：

　　1、安全

　　使用探頭進(jìn)行測(cè)量時(shí)，最重要的就是安全問(wèn)題。比如使用無(wú)源探頭時(shí)，探頭的地線與示波器的地是連接在一起的，當(dāng)示波器安全接地的時(shí)候，探頭是安全的。但是當(dāng)示波器沒(méi)有安全接地時(shí)，探頭的地線就會(huì)存在一定的電壓從而給使用者帶來(lái)危險(xiǎn)。具體情況如下圖所示：

示波器接地

　　由于Y電容的原因，導(dǎo)致原本的接地點(diǎn)電壓就不在是0V，而是L與N之間電壓的一半也就是110V電壓，這個(gè)電壓會(huì)對(duì)人體進(jìn)行傷害。所以示波器的測(cè)量過(guò)程中，一定要保證接地良好，或者采用隔離變壓器進(jìn)行完全的安全隔離，否則有可能會(huì)導(dǎo)致使用者觸電。

　　而且此時(shí)如果探頭的地線是接到了一個(gè)比較高的電壓上，比如說(shuō)市電的火線上時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)示波器外殼都帶有220V高壓，這時(shí)人再觸碰示波器時(shí)就會(huì)發(fā)生直接觸電，這種情況非常危險(xiǎn)，相當(dāng)于直接將手插入市電插排。

　　2、連接順序

　　探頭通過(guò)示波器電源線的地線間接接地，而被測(cè)系統(tǒng)可能是一個(gè)懸浮的系統(tǒng)，為避免危險(xiǎn)，地線必須先連接到地上，將示波器與被測(cè)系統(tǒng)共地，然后才能將探頭探針點(diǎn)在測(cè)試點(diǎn)上。而當(dāng)斷開(kāi)探頭時(shí)，也要先斷開(kāi)探針，然后再斷開(kāi)地線。

　　3、阻抗

　　使用探頭時(shí)，需要考慮與示波器的匹配問(wèn)題。常見(jiàn)的無(wú)源探頭，一般需要示波器的阻抗檔位是1MΩ阻抗。而一些有源探頭則是需要50Ω阻抗。使用探頭前，要看說(shuō)明書上對(duì)應(yīng)阻抗的說(shuō)明，來(lái)選擇相應(yīng)的示波器檔位與之匹配。

　　4、帶寬

　　當(dāng)使用探頭進(jìn)行測(cè)量時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的帶寬就是由探頭帶寬和示波器帶寬兩部分組成的，其中任何一個(gè)帶寬不足，都會(huì)導(dǎo)致最終測(cè)量結(jié)果不能達(dá)到要求。比如選用一個(gè)100M的探頭配套一個(gè)500M的示波器，那么帶寬最多也就只有100M左右，這樣就無(wú)法發(fā)揮500M示波器的帶寬優(yōu)勢(shì)。所以合理選擇示波器與探頭，才能讓測(cè)試帶寬達(dá)到要求。

　　5、電壓

　　選擇探頭時(shí)，還需要考慮測(cè)試信號(hào)的電壓，一方面要保證測(cè)試電壓不要高于探頭的最大輸入電壓，另一方面也要保證探頭輸出的信號(hào)在示波器的可測(cè)量范圍內(nèi)。這需要測(cè)試者根據(jù)測(cè)試信號(hào)的電壓來(lái)選擇探頭。比如要測(cè)量600Vpp的電壓信號(hào)，就需要選擇耐壓值超過(guò)600Vpp的探頭，而一般示波器最大測(cè)量電壓是80V，所以需要選擇一個(gè)衰減比大于8的探頭。而如果需要測(cè)量的信號(hào)是10mVpp的電壓信號(hào)，則就需要采用無(wú)衰減的探頭進(jìn)行測(cè)量。

　　6、地線的影響

　　傳統(tǒng)的使用習(xí)慣上，示波器的接地方式就是那根長(zhǎng)長(zhǎng)的接地夾線。這種接地方式，確實(shí)是一種簡(jiǎn)單方便的接地方式，但是卻并不是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)�、�?zhǔn)確的接地方式。

　　接地夾線示意圖

　　由于地夾線比較長(zhǎng)，其會(huì)形成一個(gè)寄生電感Lgnd，隨著夾線的增長(zhǎng)，這個(gè)電感也會(huì)增大，而這個(gè)回路電感會(huì)和示波器探頭的輸入電容Cin產(chǎn)生諧振。這就導(dǎo)致示波器的幅頻特性變得不平坦，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。下圖為使用接地夾時(shí)的等效電路。

　　接地夾線等效電路圖

　　下圖為用該等效電路仿真出的頻譜特性曲線：

　　頻譜特性曲線

　　可以看出，在60MHz以上的頻率，幅度已經(jīng)產(chǎn)生了超過(guò)3dB的過(guò)沖，而到達(dá)100M左右時(shí)，過(guò)沖到最大幅度。所以如果采用地夾，測(cè)量超過(guò)60MHz的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生比較大的失真。正確的方式應(yīng)該是采用接地彈簧。接地彈簧具有非常小的電感，可以大大提升探頭的帶寬。

　　接地彈簧示意圖

　　而且使用彈簧，也會(huì)減小接地環(huán)路面積，大大較小空間噪聲的輻射干擾。

　　7、補(bǔ)償電容的調(diào)節(jié)

　　對(duì)于10×無(wú)源探頭，其等效模型如下圖所示。

　　探頭等效電路

　　其中C1和Cline1是示波器和通訊電纜的寄生電容，是無(wú)法去除的。由于R2的原因，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低通濾波器，這就導(dǎo)致探頭無(wú)法通過(guò)高頻信號(hào)。為了提高探頭帶寬，探頭中會(huì)加入C2，來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

　　計(jì)算可得該系統(tǒng)的零點(diǎn)：

　　系統(tǒng)極點(diǎn)為：

　　只有使得這兩個(gè)點(diǎn)重合，才能讓探頭帶寬得以平坦。而示波器的輸入電容C1和通訊電纜的電容Cline1都有一定的變化范圍，所以必須加入一個(gè)可調(diào)電容Cadj來(lái)進(jìn)行匹配。實(shí)際使用時(shí)，需要通過(guò)這個(gè)可調(diào)電容來(lái)將探頭帶寬調(diào)節(jié)平坦。具體方式是將探頭鏈接到示波器的校準(zhǔn)片上，然后通過(guò)調(diào)節(jié)探頭補(bǔ)償裝置上的調(diào)節(jié)器，將方波調(diào)節(jié)平坦。下圖為調(diào)節(jié)圖例。當(dāng)屏幕上的波形變?yōu)榉讲〞r(shí)，表示探頭調(diào)節(jié)成功。

　　探頭補(bǔ)償示意圖

　　8、探頭的負(fù)載效應(yīng)

　　前文提到過(guò)，探頭都是具有輸入電容和輸入電阻的，這就導(dǎo)致其并不能當(dāng)成一個(gè)阻抗無(wú)窮大的設(shè)備，其測(cè)量時(shí)的等效模型如下圖所示。

　　根據(jù)電路知識(shí)可知，對(duì)于直流信號(hào)而言，與未接入探頭前相比，Vout會(huì)有所下降，因?yàn)楝F(xiàn)在的負(fù)載不再是RL，而是RL與Rin并聯(lián)后的電阻，這勢(shì)必小于原來(lái)的電阻RL。而對(duì)于交流信號(hào)而言，還需要在并聯(lián)上一個(gè)電容Cin產(chǎn)生的阻抗。而這個(gè)阻抗會(huì)隨著頻率的增加而逐漸減小。這就是有些情況下探頭點(diǎn)上去，電路無(wú)法正常工作的原因。在使用探頭測(cè)量時(shí)，需要評(píng)估探頭的負(fù)載效應(yīng)對(duì)被測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。比如一般的1×探頭，輸入電容高達(dá)150pF左右，如果接入到一個(gè)50Ω系統(tǒng)中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)40M左右的低通濾波器，如果被測(cè)信號(hào)接近或者高于這個(gè)頻率時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致被測(cè)系統(tǒng)工作異常。進(jìn)行高頻測(cè)量時(shí)，探頭的輸入電容越小，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也就越小。