示波器探头

探头是观测信号的第一个环节,主要作用是承载信号传输的链路,将待测信号完整、可靠的传输至示波器,进行测量分析。

探头结构

以日常使用较多的LP-16BX探头为例,它的一端具有一个挂钩,检测波形时可以钩到电路的元件引脚上,挂钩外有一个护套,内有弹簧。检测时用手将护套拉下,挂钩才露出来。

接地环和接地夹

探头中间有一个接地环和接地夹,用于与被检测的电路地线相连。使用时如果没有正确接地,就不能正常检测波形。

衰减转换开关

在探头的尾部有一个衰减转换开关,旋转下部的套筒形旋钮可以进行x1挡或x10挡的选择。在手柄下部标有选择指示,x10挡即表示检测送入的信号被衰减1/10,因此示波器上观测的值要乘以10。

BNC型插头

探头通过电缆将信号送到示波器的信号输入端,探头电缆的另一端有一个BNC型插头,在插头的部分有一个校正电容器的调整端。

探针

当逆时针旋转挂钩护套,取下护套以后,就可以将挂钩部分卸下来,露出探头的探针。这样,在检测密度很高的电路板时,可用探针点到检测部位,以免与其他元件短路。

示波器探头大的方面可以分为：无源探头和有源探头两大类。无源有源顾名思义就是需不需要给探头供电。

无源探头

1、低阻电阻分压探头：

低阻电阻分压探头具备较低的电容负载（<1pf),较高的带宽（>1.5GHz）,较低的价格,但是电阻负载非常大,一般只有500ohm或1Kohm,所以只适合测试低源阻抗的电路,或只关注时间参数测试的电路。

2、带补偿的高阻无源探头（最常用的无源探头）：

带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头,一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻（一般1Mohm以上）,可调的补偿电容,以匹配示波器的输入,具备较高的动态范围,可以测试较大幅度的信号（几十幅以上）,价格也较低。但是不足之处是输入电容过大（一般10pf以上）,带宽较低（一般500MHz以内）。带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容,当接上示波器时,一般需要调整电容值（需要使用探头自带的小螺丝刀来调整,调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置）,以与示波器输入电容匹配,以消除低频或高频增益。

3、高压探头：

高压探头是带补偿的无源探头的基础上,增大输入电阻,使得衰减加大（如：100:1或1000:1等)。因为需要使用耐高压的元器件,所以高压探头一般物理尺寸较大。

有源探头

1、单端有源探头：

使用放大器实现阻抗变换的目的。单端有源探头的输入阻抗较高（一般达100Kohm以上）,而输入电容较小（一般小于1pf),通过探头放大器后连接到示波器,示波器必须使用50ohm输入阻抗。有源探头带宽宽（现在可达30GHz）,而负载小,但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右),动态范围较小（这个需要注意,因为超过探头动态范围的信号,不能正确测试。一般动态范围5V左右）,比较脆弱,使用需小心。

2、差分探头：

使用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分探头的输入阻抗较高（一般达50Kohm以上）,而输入电容较小（一般小于1pf),通过差分探头放大器后连接到示波器,示波器必须使用50ohm 输入阻抗。差分探头带宽非常宽（现在可达30GHz）,负载非常小,具有较高共模抑制比,但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右),动态范围也较小（这个需要注意,因为超过探头动态范围的信号,不能正确测试。一般动态范围3V左右）,比较脆弱,使用需小心。

3、电流探头：

电流探头也是有源探头,利用霍尔传感器和感应线圈实现直流和交流电流的测量。电流探头把电流信号转换成电压信号,示波器采集电压信号,再显示成电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流,使用时需要引出电流线。

电流探头在测试直流和低频交流时的工作原理：

当电流钳闭合,把一通有电流的导体围在中心时,响应地会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转,在霍尔传感器的输出产生一个电动势。电流探头根据这个电动势产生一个反向（补偿）电流送至电流探头的线圈,使电流钳中的磁场为零,以防止饱和。电流探头根据反向电流测得实际的电流值。用这个方法,能够非常线性的测量大电流,包括交直流混合的电流。

电流探头在测试高频时的工作原理：

随着被测电流频率的增加,霍尔效应逐渐减弱,当测量一个不含直流成分的高频交流电流时,大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。此时,探头就像一个电流变压器,电流探头直接测量的是感应电流,而不是补偿电流,功放的输出为线圈提供一个低阻抗的接地回路。

电流探头在交叉区域时的工作原理：

当电流探头工作在20KHz的高低频交叉区域时,部分测量是通过霍尔传感器实现的,另一部分是通过线圈实现的。

探头在使用之前应该先对其阻抗 匹配部分进行调节。通常在探头的靠近示波器一端有一个可调电 容,有一些探头在靠近探针一端也具有可调电容。它们是用来调 节示波器探头的阻抗匹配的。如果阻抗不匹配的话,测量到的波 形将会变形。调节示波器探头阻抗匹配的方法如下：首先将示波 器的输入选择打在GND上,然后调节Y轴位移旋钮使扫描线出现在 示波器的中间。检查这时的扫描线是否水平（即是否跟示波器的 水平中线重合）,如果不是,则需要调节水平平衡旋钮（通常模 拟示波器有这个调节端子,在小孔中,需要用螺丝刀伸进去调节。

数字示波器不用调节。然后,再将示波器的输入选择打到直流 耦合上,并将示波器探头接在示波器的测试信号输出端上（一般 示波器都带有这输出端子,通常是1KHz的方波信号）,然后调节 扫描时间旋钮,使波形能够显示2个周期左右。调节Y轴增益旋钮, 使波形的峰-峰值在1/2屏幕宽度左右。然后观察方波的上、下两 边,看是否水平。如果出现过冲、倾斜等现象,则说明需要调节 探头上的匹配电容。用小螺丝刀调节之,直到上下两边的波形都水平,没有过冲为止。当然,可能由于示波器探头质量的问题, 可能调不到完全无失真的效果,这时只能调到最佳效果了。

阻抗匹配

探头的输入阻抗要与所用示波器的输入阻抗匹配,以减小对被测电路的负载作用。对于低输入阻抗的示波器,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&TImes;10的探头。例如示波器的输入阻抗是1MΩ/10pF,探头输入阻抗最好是10MΩ/1pF,这样的探头既有10倍的信号衰减,对被测信号的负载小,又能与示波器输入阻抗匹配。

带宽

探头的带宽要等于或大于示波器的带宽。若观察纯正弦信号,探头带宽等于被测信号频率的最高值即可；若观察非正弦信号,探头带宽应容纳被测信号的基波和最重要谐波分量。

上升时间

为精确地测量脉冲的上升时间和下降时间,系统的上升时间（即示波器和探头上升时间之和）应比被测信号上升时间快3-5倍。