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示波器探頭工作原理
2012-08-25
我們將首先集中討論通用無源探頭，說明共主要技術(shù)指標以及探頭對被測電路和被測信號的影響，接著簡單介紹幾種專用探頭及其附近。
屏蔽示波器探頭的一個重要任務(wù)是確保只有希望觀測的信號才在示波器上出現(xiàn)，如果我們僅僅使用一面導(dǎo)線來代替探頭，那到它的作用就好象是一根天線，可以從無線電臺、熒光燈，電機、50或60Hz的電源的交流聲甚至當(dāng)?shù)貥I(yè)余無線電愛好者那里接收到很多不希望的干擾信號，其些這類噪聲甚至還能抽向注入到被測電路中去所以我們首先需要的是屏蔽的電纜，示波器探頭的屏蔽電纜通過們于探頭尖端的接地線和被測電路連接，從而保證了很好的屏蔽。
示波器探頭帶寬
和示波器一們，示波器探頭也具有其允許的有限帶寬。如果我們使用一臺100MHz的示波器和一個100MHz的探頭，那么它們組合起來的響應(yīng)就小于100MHz，探頭的電容和示波器的輸入電容相加，這就減小了系統(tǒng)的帶寬，加大了顯示的上升時間tr見第一章1.3節(jié)上升時間。
使用1.3節(jié)的公式
tr(ns)=350/BW(MHz)
如果示波器和探頭各自均為100MHz帶寬，其上升時間均為tr=3.5ns 。則有效系統(tǒng)上升時間就由下式給出：
trsystem=sqr(t2rscope+t2rprobe)
=sqr(3.52+3.52)ns
=sqr(24.5)2ns
=4.95ns
根據(jù)4.95ns的系統(tǒng)上升時間求得，系統(tǒng)帶寬為350/4.95MHz=70.7MHz。
Fluke公司給所有示波器配備的探頭都能使示波器保證在探頭尖端獲得規(guī)定的示波器帶寬，從上述的計算可以看出，視覺要求探頭本射的帶寬要比示波器的帶寬寬得多。
示波器探頭負載效應(yīng)
當(dāng)我們進行測量時，我們常常以為測得的電壓和電路中未連入示波器時是完全一樣的。
實際上，每個示波器探頭都有其輸入阻抗，輸入阻抗包含了電阻、電容和電感分量。由于探頭引入的額外負載，所以連入探頭后就會影響被測電路我以當(dāng)我們分析測量結(jié)果時必須考慮探頭的特性以及測試電路的阻抗。
有些示波器探頭里沒有串聯(lián)的電阻，這類探頭主要就由一段電纜和一個測試頭構(gòu)成，因此，在其工作頻率范圍或有用帶寬之內(nèi)，探頭對信號沒有衰減作用。這類探頭稱為1：1或X1探頭。由于這類探頭在測試點處將其自身的電容(包括電纜的電容)與示波器的輸入阻抗連在了一起，所以這種探頭具有負載效應(yīng)。
示波器探頭的等效電路
當(dāng)信號頻率嗇時，探頭的容性負載效應(yīng)京戲得更加顯著。由于電纜的類型和長度的不同以及探頭本身構(gòu)造等原因，1：1探頭的輸入電容通常可以從大約35pF到100pF以上，這等于給被測電路施加了一個低阻抗菌素負載，具有47pF輸入電容1：1探頭在20MHz之下的電抗僅為169W，這就使得這個探頭在此頻率無法使用。
衰減式探頭減小了負載效應(yīng)
我們可以在探頭中增加一個和示波器輸入阻抗相串聯(lián)的阻抗，用這種辦法就可以減小探頭的負載效應(yīng)。然而，這就意味著輸入電壓不能完全加到示波器的輸入端，因為我們現(xiàn)在已經(jīng)引入了一個分壓器。
給出了一處簡化的探頭等效電路，Rp和Rs構(gòu)成了一個10：1的分壓器，Rs為示波器的輸入阻抗。調(diào)節(jié)補償電容C補償使得探頭和示波器械相匹配，視覺保證了在探頭的尖端獲得正確的頻率響應(yīng)曲線，宋一來就使得這種探頭的頻率響應(yīng)比1：1探頭頻率響應(yīng)要寬得多。
10：1示波器探頭電路圖
示波器的標準輸入電阻為1MΩ。這就要求在探頭中串聯(lián)9MΩ的電阻，使得在低頻時探頭尖端的輸入阻抗為10MΩ。
探頭補償
一個實際的10：1探頭具有幾個可調(diào)的電容和電阻以便在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得正確的頻率響應(yīng)，這些可調(diào)元件的大多數(shù)都是在制造探頭時由工廠調(diào)好的。只有一個微調(diào)電容留給用戶去調(diào)節(jié)。這個電容稱為低頻補償電容，應(yīng)當(dāng)通過調(diào)節(jié)這個電容使得探頭和與相配用的示波器匹配，使用示波器前面板上的信號輸出可以很容易地進行這項調(diào)節(jié)工作，示波器的這個輸出端標有"探頭調(diào)節(jié)"、"校準器""CAL"或者"探頭校準"等標志，并能送出一個方波輸出電壓。方波中包含很多頻率分量。當(dāng)所有這些分量都以正確的幅度送至示波器時，就能在示流器屏幕上再現(xiàn)方波信號。圖44示出探頭欠補償，正確補償和過補償?shù)挠绊憽?/p>
在2kHz方波和1MHz正弦波之下觀察不同探頭補償情況的影響。
可以看出，在較高的的頻率下探頭過補償和欠補償和欠被償情況下1MHz正弦波的幅度是很不準確的。
所以在使用的衰減探頭之前一定不要忘記檢查探頭的補償情況。由于一臺示波器的不同輸入通道的輸入電容可能有小的差異，所以您應(yīng)當(dāng)按照示波器上要使用的通道來進行探頭補償調(diào)整工作。
示波器探頭最大輸入電壓
多數(shù)通用10：1探頭的構(gòu)造使這些探頭適合于最大輸入電壓為峰值400V或500V的情況下使用，所以這些探頭可以用于信號電平高達數(shù)百伏的廣泛的應(yīng)用場合，對于需要測量更高電壓的場面合，我們推薦使用電壓額定值更高的100：1探頭。
示波器探頭讀出
現(xiàn)代示波器探頭都裝有編碼系統(tǒng)，使得示波器能夠識別與它相連年的探頭類型。從而使示波器能夠高速垂直偏轉(zhuǎn)指示值及所有幅度測量結(jié)果以避免發(fā)生泥淆。而如果使用不帶這種識別系統(tǒng)的探頭，則用戶就不得不自己為所有波形顯示和測量結(jié)果重新定檣以便反映出探頭的衰減量。
接地引線電感
說明探頭的接地引線電感如何與探頭及示波器的輸入電容形成串聯(lián)諧振電路。而探頭的輸入電阻則在諧振電路中引入阻尼。
帶有接地引線電感的示波器探頭等效電路
像其它諧振電路一親，如果在探頭上加入階躍電壓則此諧振電路也會發(fā)生振鈴現(xiàn)象，過大的接地引線電感還會使示波器顯示的上升時間變差，圖46顯示出使用不同長度的接地引線時，連至示波器的快速上升沿脈沖的顯示波形。
接地引線對脈沖響應(yīng)的影響
從圖中我們可以清楚的看到接地引線電感對測量結(jié)果的影響，所以一定要使探頭的接地引線盡可能的短，特別是在測高頻和快速上升沿的信號時尤應(yīng)注意。
安全接地
為保證電氣上的安全，多數(shù)示波器都通過電源線與安全地線相連。被測信號有可能和地線具有相同的參考電位，但并非必然如此，因此在連接探頭的地線時，一定要注意不要因此而把被測系統(tǒng)的某一部分短路。另一方面，既使被測系統(tǒng)和示波器的地線具有相同的參考電位，這也并不意味著可以用安全地線來作信號返回通路，這是由于安全地線連接走線很長，具有很大的引線電感，因此不適合作信號返回通路。這時一定要用探頭的接地引線來作為信號的參考地線。
示波器探頭類型
我們已經(jīng)研究了10：1和1：1兩種探頭，此外還有多種其它類型的通用探頭。
可切換式示波器探頭
這種探頭將10：1探頭和1：1探頭容為一體，使用起來非常方便，在一般情況下最好使用10：1檔，因為在這一檔探頭對被測電路的負載效應(yīng)小，而且頻帶寬。而1：1檔則可在測量低頻低電平信號時使用。
衰減器示波器探頭
另一種常用的衰減器探頭為100：1探頭，其輸入電容較低，典型值為2.5pF，輸入電阻為20MW，探頭的額定電壓值很高，典型值為4KV。因此這種探頭適合于在測量高壓變換器等電壓很高的場合使用。
FET示波器探頭
這是一種可在高頻下使用的有源探頭，其使用頻率可達650MHz。其輸入電容可低達1.4pF，因此特別適合于在具有很高源阻抗的電路中測量快速瞬變，或者其它要求探頭負載效應(yīng)最小的場合。由于采用有源設(shè)計方案，所以FET探頭也可用于1：1的情況，仍具有極低的輸入電容。
電流示波器探頭
顧名思義，使用這種探頭時示波器上顯示的是導(dǎo)體中的電流而不是其上的電壓。在這種探頭的頭上裝有一個電流感應(yīng)變壓器，使用時只要把探頭卡到電纜導(dǎo)線上而無需切斷電路，探頭獲得的信號首先變換成電壓，再經(jīng)過比例變換后送到示波器的端，這時示波器顯示的單位為A/格或mA/格。探頭的頻率范圍可達70MHz以上。
使用電流探頭以后，具有數(shù)學(xué)處理能力的示波器就可以通過將電壓波形和電流波形相乘來進行功率的測量，詳細情況見2.3節(jié)。
隔離放大器
隔離放大器雖然不是一般意義下的探頭，但我們可以把它看成是一種用來把示波器測量點和地電位隔離開來的特殊類?quot;探頭"。這種"探頭"之所以必要是因為，除非使用電源隔離變壓器或者電池來為示波器供電，不然的話，示波器的輸入?yún)⒖嫉鼐€總是在地電位，采用隔離放大器還使我們能夠測量疊加于很大的共模電壓之上的小信號(見圖47)。隔離放大器的輸入單元整個由塑料構(gòu)成。并由電池供電，以保證安全。隔離放大器大都應(yīng)用在電力和控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。
圖47 具有共模電壓的電路 帶有命令開關(guān)的示波器探頭
在探頭方面的一項最新改進是針對使用探頭進行大量測試工作的用戶。在PM3094和PM3394A系列的示波器中，F(xiàn)luke公司采用了一項稱為探頭命令開關(guān)的新技術(shù)，為此在探頭體上裝了一個小開關(guān)，使用空虛開關(guān)可以啟動預(yù)選的功能，如啟動自動設(shè)置，或者從設(shè)置存儲器中選擇另一組設(shè)置參數(shù)，在組合示波器中命令開送還可以用來啟動"接觸、保持和測量"功能，即進行一次采集，將波形凍結(jié)并根據(jù)存貯的波形進行多咱參數(shù)的測量。
4.3 其它附件
示波器還可配備多種附件，其中有些附件是為了使示波器適合于在某種測量環(huán)境下使用，例如：接口，上架機件及軟件包，而另一些附件則有助于方便、有條有理的攜帶示波器及探頭或者有助于專門的測量工作。
視頻行選擇器
這個附近件對于視頻工程師的工作是極理想的工具。它能生成行、場及幀同步脈沖用以觸發(fā)示波器，使得視頻工程師可以對某一視頻行的各部分進行研究。通過開關(guān)可以觀察行的另碼，當(dāng)該行到來時示波器就觸發(fā)。
某些型號的示波器，如PM3394A具有內(nèi)置式的視頻行選擇器。這時，此功能的控制機構(gòu)則為示波器控制機構(gòu)的一部分。
終端負載
當(dāng)測量低阻抗系統(tǒng)時，示波器必須配以正確的終端負載以避免信號失真。某些示波器的輸入端可以由開關(guān)切換成50Ω的輸入阻抗。對于沒有這種功能的示波器則可使用這種終端負載附件來和示波器的輸入端配合使用，終端負載的衰減系數(shù)有1：1、10：1及100：1多咱。此外還有75Ω規(guī)格的終端負載可供其它視頻系統(tǒng)使用。
示波器探頭接口
在示波器最常見的接口是RS-232接口和GPIB接口(詳見2.4節(jié))，使用這些接口可以將數(shù)據(jù)傳給示波器或者從示波器取出，雖然通過接口傳送波形可能只限于數(shù)字存儲示波器，但是模擬示波器也可配備接口以便對示波器的設(shè)置進行遠程控制。
電池和逆變器
這些附件使臺式示波器可以在沒有市電的場合，如車輛或收音機中使用，還能使示波器能進行對地浮置的測量。這也意味著，當(dāng)被測系統(tǒng)處于地電位時，使用這類附件可以避免地回路。
其它配件
攜帶箱可在運輸時保護示波器，這對于經(jīng)常外出施行的用戶非常有價值。
附件盒可以和示波器配套，保存探頭及其它小的附件。由于探頭應(yīng)當(dāng)按照它所配用的示波器來調(diào)整，所以給示波器配以附件盒是非常有用的。
保護罩可以保護示波器的前面板不致?lián)p傷和弄臟。
示波器可以使用戶很方便的在實驗室的不同地點經(jīng)常流動使用示波器，并且常常還要以有來存放附件及硬考設(shè)備。有些示波器還可以再配備附加的存儲器盒，暈樣當(dāng)示波器開機后就可以恢復(fù)關(guān)機關(guān)原來的設(shè)置狀態(tài)。
4.4 軟件
可供用戶使用的軟件包有很多種，其中有些用來進行簡單的波形傳送及在計算機中存貯波形；而另一些軟件則有來進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析。下面介紹若干專門為測度儀器設(shè)計的軟件包的實例。
圖48 視頻行選擇器和選擇的視頻行信號通訊軟件
有多種軟件包可以實現(xiàn)將波形從示波器傳送到PC機，并將其存貯在PC機的硬盤上。示波器捕獲的波形可以和示波器的設(shè)置一起在PC機的屏幕上顯示出來，而且還能將這些信息存貯在硬盤上便隨時調(diào)用。
有些軟件包還能將波形由計算機送回給示波器作為參考波形使用。如果對傳送時間的要求不苛刻，通常使用RS-232接口來實現(xiàn)示波器與計算機之間的連接。這是因為每個PC機上都有RS-232接口，使用非常方便。某些軟件包還能以HP-GL文件的形式傳送和存貯波形。使用市場上已有的文字處理軟件可以把這種文件作為圖形直接編入文件中去，本書中大量的屏幕波形圖就是這樣生成的。
另一些軟件包，如AnyWave給示波器增添了寶貴的自動測試功能。例如，可以使用這類程序生成測試的范圍(樣板)，定義出上限和下限的波形曲線，然后就可以用這個測試樣板作為參考標準進行立即的、自動的通過/不通過測試。測量的波形可以通過RS-232或者IEEE通訊接口傳送給PC機，并將不通過的波形自動存貯下來。
對于裝有樣板測試功能的示波器來說AnyWave軟件也使得測試包絡(luò)的生成更加容易，使用PC機的鍵盤和鼠標就可以對包絡(luò)進行編輯。如果愿意，也可以從一個采集到的波形出發(fā)來生成包絡(luò)。
除此之外，AnyWave軟件還可用來為任意波形發(fā)生器生成波形描述數(shù)據(jù)。
存貯的波形還可以用統(tǒng)計圖表軟件包或者專門的分析軟件來進行處理。
編程環(huán)境軟件
這些軟件包能為使用標準編程語言，如"Quick-Basic"或"C"等編寫測試程序提供一種編程環(huán)境。在這種編程環(huán)境下，應(yīng)用程序的開發(fā)工作變得更加容易、更加有效、更加迅速。使用諸如TestTeam和LabWindows等軟件包，則可以提供各種儀器的驅(qū)動程序，使編程工作進一步簡化，這些軟件包不僅能支持示波器的應(yīng)用，而且有助于在使用諸如多表表、信號發(fā)生器、程控電源、頻率計和信號并關(guān)等多種儀器時編寫測試程序。暈樣編寫的程序可以在TestTeam的環(huán)境下執(zhí)行，也可以轉(zhuǎn)換成獨立的可執(zhí)行文件來控制測試系統(tǒng)。
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