如何用好示波器探头

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示波器探头作为连接被测电路与示波器输入端的电子部件,对测量结果的准确性以及正确性有重大影响。最简单的示波器探头可以是一根导线,复杂的探头由阻容元件和有源器件组成。简单探头没有采取屏蔽措施很容易受到外界电磁场的干扰,而且本身等效电容较大,造成被测电路的负载增加,使被测信号失真。因此,示波器探头应满足如下技术要求:(1) 屏蔽良好,信号不易受到外界干扰;(2) 高输入阻抗,对被测电路的影响很小;(3) 在频率范围内特性平稳;(4) 与示波器相匹配的输出阻抗。

一、探头的分类

探头通常是按测量对象进行分类的。例如:电压型、电流型;有源、无源;高阻、低阻等,具体分类如下表所示。在实际工作中,使用最多的是电压探头。其中高阻无源探头占绝大部分。

图3
图3 🔍原图 (396×329)

二、探头的主要指标

探头的主要电学指标有:


(1)频率带宽/上升时间

图1
图1 🔍原图 (510×335)

探头最重要的性能指标就是带宽,探头的带宽会限制示波器测量的频率宽度。探头的特性往往利用脉冲上升时间来表示,带宽F与上升时间t\(_{r}\)有如下关系:

F=1/( 0.35t\(_{r}\))


(2)负载效应(探头阻抗)

图2
图2 🔍原图 (567×269)

为保证测量的准确性,需要减轻探头对被测电路的负载效应,不影响被测信号,因此应选择高输入阻抗的探头。探头的输入阻抗可以等效为电阻与电容的并联。低频时(1MHz以下)探头的负载主要是阻抗作用;高频时(10MHz以上)探头的负载主要是容抗作用。


(3)衰减比

探头的输入电压与输出电压比就是衰减比。电压探头衰减比一般分为两挡,即1×1和1×10。


(4)衰减补偿

探头的输入电容决定了探头的高频特性及在额定衰减比下输入电容的补偿范围,调节输入电容使探头具有平滑下降的频率特性和规定的衰减比。由于示波器的输入电容有差异,探头的输入电容也需要有一定的调节范围。

三、探头的选择

探头的特性中最重要的参数就是带宽和输入阻抗,他们既要与示波器的带宽和输入阻抗匹配,又要对被测电路的影响最小。选择探头要考虑以下几点:


(1)探头的带宽和上升时间应等于或高于示波器的带宽。


(2)阻抗的匹配

探头的阻抗与所用示波器的输入阻抗要匹配。另外,为使对被测电路的负载效应最小。对于低阻输入的示波器,应选择有源探头或50Ω输入阻抗的探头;对于高输入阻抗的示波器,应选择×1、×2、×5、×10倍的输入阻抗的探头。例如:示波器的输入阻抗是1MΩ/10pF,就应该选择输入阻抗为10MΩ/1pF的探头。


(3)延时的影响

不同的探头对信号的延时时间是不同的,因此在进行差分测量以及时间(或相位)一致性测量时,应注意要使用两个型号相同和电缆长度相等的探头。


(4)良好的接地

探头的频率特性是在同轴系统内测得的结果。在实际使用中,探头往往处于非同轴匹配的系统中,因此探头的接地引线要尽量短,把串联电感减到最小。高压探头的良好接地就更为重要,否则就会造成放电或打火现象,严重的会损坏仪器。

四、探头的使用


(1)探头补偿

探头补偿意味着在探头末端和示波器输入端之间频率补偿。探头末端与示波器的输入端的关系如图1所示,调节C2可得如下关系:

R1×C1=R2×(C2+C3)

如果测量时不做探头补偿,在信号幅度中会出现一个很大的误差,范围可以为几十kHz。


(2)频率带宽

一般来说任何信号源都有内阻和阻抗。如果用带15pF输入电容的探头观测输出电阻为510Ω的电路波形,会有怎样的带宽呢?

由f=1/2πRC,R=510,C=15pF得出f=21MHzk。所以如果示波器带宽为100MHz时,频率带宽将被限制在21MHz。


(3)接地

一定要确认探头接地的方法。当信号频率超过10MHz,幅值就会随接地的不同而变化。当检查一个具有高速上升时间的电路如ECL(射极逻辑耦合)电路,就需要用影响最短的接地线接地。

五、普通探头的维修

在实际工作中,最常用的示波器探头是高阻无源电压探头。它主要由探针、塑料腔体、1×1挡电路、1×10挡电路、屏蔽线缆、电容补偿电路及BNC接头组成。发生故障的概率主要集中在电路部分,而涉及电路部分的主要有电容补偿电路和1×1挡、1×10挡电路。

电容补偿电路如图1所示,1×1挡、1×10挡电路如图2所示,该两部分电路均由电阻和电容组成。使用中电阻和电容容易烧断,出现故障时可重点检查。