示波器探头浅谈 示波器是如何工作的

第第页示波器探头浅谈示波器是如何工作的一个理想的探头应当易于连接，具有牢靠而安全的触点、不会降低其传输信号的质量或者造成失真、具有线性的相位行为、无衰减、具有无限的带宽、高的抗噪性能以及不会成为信号源的负载。然而，实际上全部这些属性均不可能确定实现，而且某些情况下离所要求的测量情况还会有很大的差距。实际应用中，需要测量的信号往往难以取得，其阻抗变化可能特别大，整体设置对噪声特别敏感而且倚靠于频率，带宽有限，而且信号传播的差异会在多个测量通道之间引起细小的时间偏差（相位和时间偏差）。幸运的是，示波器制造商竭尽全力将与探头相关的影响降至最低，使其能够更简单连接到电路，而且性能更牢靠。比如，一只手拿着探头而另一只手操作示波器的方式是很难做到的。因此，RSRTO系列示波器的有源探头让用户能够利用探头上的一个按钮来掌控示波器功能，而且包含很多功能的掌控。该测量仪器上还具备一个称为RSProbeMeter的集成电压计，可以进行比传统示波器通道更为精准的DC测量。电压探头以及AC或者AC/DC电流探头是两款基本的探头类型。但是还存在很多专为实在测量任务而设计的其它探头，包括设计用于数字电路逻辑状态故障排解的逻辑探头。环境探头设计为可以在广泛的温度范围下工作，而温度探头可以用来测量组件的温度，并且可以用在很可能显现高温的电路中。另外还有设计用于晶片级探测站中的探头，以及将光信号转换为电信号的光学探头，使得能够在示波器上查看光学信号，某些特定的探头还可用于测量高电压。示波器探头分类无源探头无源探头是较为简单而且价格较为便宜的探头类型，可以供应大部分必需的测量功能。无源探头本质上由电线和接头所构成，而当需要衰减时，还会具备电阻和电容。无源探头中不存在有源组件，所以无需示波器供应电源也能进行工作，本质上特别耐用。1X（“单倍”）探头是指探头具有与示波器相同的动态范围，而衰减探头则是通过将信号电平衰减10倍、100倍甚至更高的倍数，从而扩展仪器的测量范围。较为通用的探头是10X类型的探头，由于它所造成的负载效应很低，而且供应更大的电压测量范围。10X探头是很多仪器的典型“标配”探头。连接至示波器1M欧姆输入端的1X无源高阻抗探头具有很高的灵敏度（小衰减），而将10:1的无源高阻抗探头连接到示波器的1M欧姆输入端时，可以供应比1X探头更宽广的动态范围、更高的输入阻抗以及更低的电容。将10:1无源低阻抗探头连接至示波器的50欧姆输入端时，其阻抗几乎不随频率变化而变化，但由于其标称阻抗为500欧姆，因此会成为信号源的一个明显负载。当信号幅值相当低时，便需要接受1X探头；但对于中低幅值成分混合的信号，接受1X/10X衰减比可调探头则更为便利。无源探头的典型带宽范围为小于100MHz～500MHz。对于50欧姆环境中所碰到的高速（高频）信号，需要接受50欧姆的探头，其带宽可达数千兆赫兹，上升时间可达100ps甚至更快。无源探头中包含一个低频调整控件，在探头连接至示波器时使用。低频补偿用于使探头的电容与示波器输入端的电容相匹配。高频调整控件仅适用于50MHz以上的工作频率。特定供应商用于更高频率的无源探头会在出厂前完成调整，所以仅须执行低频调整。而有源探头则无须执行这些类型的调整，由于它们的属性和补偿均在出厂前便已确定。有源探头有源探头的优点包括对信号源的负载很低，探头尖端具有可调的直流偏置（对直流电平上叠加的交流信号具有高辨别率），以及能够被示波器自动识别，无须手动调整。有源探头具有单端型及差分型两种类型。有源探头接受了诸如场效应晶体管等有源元件，其输入电容特别低，对于在大频率范围内保持高输入阻抗来说很有好处。它们还可以用来测量阻抗未知的电路，并且允许使用更长的接地线。由于有源探头的负载极低，所以当连接至高阻抗电路时（无源探头的负载相对来说过大），有源探头是必不可少的。然而，有源探头中的集成缓冲放大器只能在有限的电压范围内工作，而有源探头的阻抗取决于信号的频率。此外，虽然有源探头可以用来处理上千伏特的电压，但其终归是有源器件，机械牢靠程度比不上无源探头。差分探头尽管可以对各个信号接受单独的探头进行探测并测量出差分信号，但较佳方法仍旧是接受差分探头。差分探头利用内置的差分放大器对两个信号进行相减，因此仅占用一个示波器通道，而且还能在比单端型探头更宽广的频率范围内供应充分高的CMRR（共模抑制比）性能。差分探头可以使用在单端和差分应用中。电流探头电流探头通过测量电流流经导体时所产生的电磁通量场来测量电流。然后，电磁通量场会被转换成为对应的电压，以供示波器进行测量和分析。当示波器的测量与数学功能结合使用时，电流探头让用户能够执行各种各样的功率测量。高压探头常规用途的无源探头最大适用电压一般在400V左右。当电路中碰到比如20kV的高电压时，需要利用专门的探头才能进行安全测量。很明显，在对如此之高的电压进行测量时，安全是首要考虑因素，而这种类型的探头通常会利用特别长的线缆长度来适应高电压。探头的注意事项电路负载探头附加到电路上最基本以及较为紧要的特征便是负载，而这种负载有阻性、容性和感性负载之分。阻性负载会造成幅值衰减和直流漂移偏置，并且会更改电路的偏压。假如探头的输入电阻与所探测的信号电阻相同的话，那么阻性负载就会变得特别大，由于电路中的一部分电流会流入探头。这样反过来会降低电路与探针接触位置的电压。实际上，这可能使得原来显现故障的电路正常工作，但更多情况下会导致电路的工作显现错误。为了降低电阻负载所造成的影响，一般会接受探头阻值高于被测电路阻值10倍以上的探头进行测量。电容负载会降低信号的上升速度，降低带宽，以及加添传输延迟，电容负载是由探头尖端的电容所引起的。它引入了频率的测量误差，而且是进行延迟和上升时间测量时的最大影响因素。电容负载是由于探头中的电容所引起的，在高频中表现为一个高通滤波器，从而使得高频信息经地线流走，显著地降低了探头在高频情况下的输入阻抗。因此，需要接受尖端电容较小的探头。感性负载也会导致测量信号失真，它是由探头尖端至探头接地导线之间的环形部分的电感所引起的。地线中的感性负载连同探头尖端的电容所引起的信号振荡可以通过有效的接地而得到减轻，这样可以提高振荡频率使其超出仪器的带宽。接地导线的长度应尽可能地短，才能削减回路的长度，从而将电感降至最低。较低的电感可以将被测波形顶部的振荡降至最低。接地当使用示波器进行测量时，为了获得精准的结果以及保证操作员的安全（尤其是在处理高电压的时候），务必实行正确的接地。仪器必需通过电源线接地，并且切勿在“保护接地”断开的情况下进行操作。当被测设备的信号地通过另一个位置的电源接地而引起接地回路时，这将会导致显现不必要的低频嗡嗡声。常见的处理方式是将信号地与电源地隔离开来，然后在靠近信号针脚的位置与信号地建立连接。探头选择流程选择合适（电压）的探头有两个具有决议性的因素：在不失真情况下捕获波形所需的带宽，以及将电路负载降至最低所需的最小阻抗。规定的示波器带宽仅适用于50欧姆的输入阻抗以及有限的输入电压范围。为了保持谐波和波形的完整性，仪器的带宽必需至少是被测的最高脉冲频率的五倍。对于交流测量来说，所规定的直流阻抗的数值是很小的。随着频率增大，阻抗会变小，而无源探头阻抗变小的程度较为明显。尝试将输入阻抗保持为最高信号频率时信号源阻抗的10倍，有源探头和无源探头之间可以很简单进行选择。这样能够将选择范围缩小至仅有一个或者两个与测量设置要求较为吻合的探头型号。对于微波波段的示波器带宽，确定是有源探头具有最大优势。请谨记，10x无源探头的低频阻抗是最高的，而且无源探头一般不会引起直流偏置或者引入噪声。而有源探头可以在数千赫兹的频率下供应恒定阻抗，而且在数百兆赫兹的频率下具有最高阻抗。低阻抗探头可以在高达1GHz的频率下供应恒定阻抗，尽管能够在某一频率下保持令人充分的恒定阻抗，但较低的阻抗能够避开谐波信号显现失真。简言之，在信号频率成分高于100MHz的场合中建议使用有源探头，而且低的输入阻抗会导致较高的谐振频率。与有源探头之间的连接应尽可能短，以确保供应可用的高带宽。此外，假如接地电平不稳定，便需要使用差分探头。对于无源探头，紧要的一点是接受特定仪器所建议使用的探头型号，即便该探头的带宽规范高于使用需要。低输入电容会导致较高谐振频率。接地导线应尽可能地短，以降低地线的电感。测量陡峭上升沿时间的时候必需当心谨慎，由于谐振频率会远远低于系统带宽。探头的阻抗应大约为电路测量点阻抗的十倍，才不致于向电路引入太大的负载

示波器电源波纹的测量方法

纹波是叠加在直流信号上的交流干扰信号，是电源测试中的一个很紧要的标准。尤其是作特别用途的电源，如激光器电源，纹波则是其致命要害之一、所以，电源纹波的测试就显得极为紧要。

电源纹波的测量方法大致分为两种：一种是电压信号测量法；另一钟是电流信号测量法。

一般对于恒压源或纹波性能要求不大的恒流源，都可以用电压信号测量法。而对于纹波性能要求高的恒流源则可以用电流信号测量法。

电压信号测量纹波是指，用示波器测量叠加在直流电压信号上的交流纹波电压信号。对于恒压源，测试可以直接用电压探头测量输出到负载上的电压信号。对于恒流源的测试，则一般是通过使用电压探头，测量采样电阻两端的电压波形。整个测试过程中，示波器的设置是能否采样到真实信号的关键。

所用的是：配有电压测量探头的TDS1012B示波器。

测量之前需要进行如下设置。

1.通道设置：

耦合：即通道耦合方式的选择。纹波是叠加在直流信号上的交流信号，所以，我们要测试纹波信号就可以去掉直流信号，直接测量所叠加的交流信号就好。

宽带限制：关

探头：首先选用电压探头的方式。然后选择探头的衰减比例。必需与实际所用探头的衰减比例保持一致，这样从示波器所读取数才是真实的数据。比如，所用电压探头放在×10档，则此时，这里的探头的选项也必需设置为×10档。

2.触发设置：

类型：边沿

信源：实际所选择的通道，如，准备用CH1通道进行测试，则此处就应当选择为CH1、

斜率：上升。

触发方式：假如是在实时地察看纹波信号，则选择‘自动触发。会自动跟随实际所测信号的变化，并显示。这个时候，你也可通过设置测量按钮，实时地显示你所需要的测量的数值。但是，假如你想要捕获某次测量时的信号波形，则需要将触发方式设置为‘正常触发。此时，还需要设置触发电平的大小。一般当你知道你所测量的信号峰值时，将触发电平设置为所测信号峰值的1/3处。假如不知道，则触发电平可以设置的略微小一些。

耦合：直流或交流…，一般用交流耦合。

3.采样长度（秒/格）：

采样长度的设置决议能否采样到所需要的数据。当所设置的采样长度过大时，就会漏掉实际信号中的高频成分；当所设置的采样长度过小时，就只能看到所测实际信号的局部，同样无法得到真实的实际信号。所以，在实际测量时，需来回旋转按钮，认真察看，直到所显示波形是真实的完整的波形。

4.采样方式：

可依据实际需要设定。如，要求测量纹波的P—P值，则可以选择峰值测量法。采样次数也可依据实际需要设定，这与采样频率及采样长度有关。

5.测量：

通过选择对应通道的峰值测量，示波器就可以帮你把所需要的数据适时显示出来。同时也可以选择对应通道的频率、最大值、均方根值等。

通过对示波器进行合理设置和规范的操作，确定可以得到所需的纹波信号。但是，在测量过程中确定要注意防止其它信号对于示波器探头自身的干扰，以免所测量的信号不够真实。

通过电流信号测量法测量纹波值是指，测量叠加在直流电流信号上的交流纹波电流信号。对于纹波指标要求比较高的恒流源，即要求纹波比较小的恒流源，接受电流信号直接测量法可以得到更加真实纹波信号。与电压测量法不同的是，这里还用到了电流探头。比如，连续用上述的示波器，再加一个电流放大器和一个电流探头。此时，只需用电流探头夹住输出到负载的电流信号，就可以进行电流测量法来测量输出电流的纹波信号了。与电压测量法一样，整个测试过程中，示波器及电流放大器的设置是能否采样到真实信号的关键。

其实，用这种方法测量时，示波器的基本设置及用法与上述相同。不同的是，通道设置中探头的设置有所不同。在这里，需要选则电流探头的方式。然后，选择探头的比例，必需与放大器所设置的这个比例相同，这样从示波器所读取数才是真实的数据。比如，所用放大器的这个比例设置为5A/V，则此时示波器的这一项也需设置为5A/V。至于电流放大器的耦合方式，当示波器的通道耦合已经选择为交流耦合时，则这里选择交流或直流都可以。

需要注意的是，用这种方法时，需先打开示波器，然后再打开电流放大器。且记得在使用前对电流探头先消磁。

另外，测量电源纹波本身有确定技巧性。不当使用示波器测量电源纹波首先是使用了接地线很长的示波器探针；其二是让由探针和接地线形成的回路靠近功率变压器和开关元件；最后是允许在示波器探针和输出电容之间形成额外的电感。其结果带来的问题是在测得的纹波波形中携带了拾取的高频成分。

在电源中有很多很简单耦合到探针中的高速的、大电压和电流信号波形，其中包括来自功率变压器的磁场耦合、来自开关节点的电场耦合、由变压器交绕（interwinding）电容产生的共模电