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示波器探头的工作原理

更新时间:2017-02-20 14:27:01   点击次数:

示波器探头不仅仅是把测试信号判定以示波器输入端的一段导线,而且是测量系统的重要组成部分。探头有很多种类型号各有其没的特性,以适应各种不同的专门工作的击破要,其中一类称为有源探头,探头内包含有源电子元件可以提供放大能力,不含有源元件的探头称为无源探头,其中只包含无源元件如电阻和电容。这种探头通常对输入信号进行衰减。

 

    我们将首先集中讨论通用无源探头,说明共主要技术指标以及探头对被测电路和被测信号的影响,接着简单介绍几种专用探头及其附近。

 

    屏蔽示波器探头的一个重要任务是确保只有希望观测的信号才在示波器上出现,如果我们仅仅使用一面导线来代替探头,那到它的作用就好象是一根天线,可以从无线电台、荧光灯,电机、50或60Hz的电源的交流声甚至当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号,其些这类噪声甚至还能抽向注入到被测电路中去所以我们首先需要的是屏蔽的电缆,示波器探头的屏蔽电缆通过们于探头尖端的接地线和被测电路连接,从而保证了很好的屏蔽。

 

    示波器探头带宽

 

    和示波器一们,示波器探头也具有其允许的有限带宽。如果我们使用一台100MHz的示波器和一个100MHz的探头,那么它们组合起来的响应就小于100MHz,探头的电容和示波器的输入电容相加,这就减小了系统的带宽,加大了显示的上升时间tr见第一章1.3节上升时间。

 

    使用1.3节的公式

 

    tr(ns)=350/BW(MHz)

 

    如果示波器和探头各自均为100MHz带宽,其上升时间均为tr=3.5ns。则有效系统上升时间就由下式给出:

 

    trsystem=sqr(t2rscope+t2rprobe)

 

    =sqr(3.52+3.52)ns

 

    =sqr(24.5)2ns

 

    =4.95ns

 

    根据4.95ns的系统上升时间求得,系统带宽为350/4.95MHz=70.7MHz。

 

    Fluke公司给所有示波器配备的探头都能使示波器保证在探头尖端获得规定的示波器带宽,从上述的计算可以看出,视觉要求探头本射的带宽要比示波器的带宽宽得多。

 

    示波器探头负载效应

 

    当我们进行测量时,我们常常以为测得的电压和电路中未连入示波器时是完全一样的。

 

    实际上,每个示波器探头都有其输入阻抗,输入阻抗包含了电阻、电容和电感分量。由于探头引入的额外负载,所以连入探头后就会影响被测电路我以当我们分析测量结果时必须考虑探头的特性以及测试电路的阻抗。

 

    有些示波器探头里没有串联的电阻,这类探头主要就由一段电缆和一个测试头构成,因此,在其工作频率范围或有用带宽之内,探头对信号没有衰减作用。这类探头称为1:1或X1探头。由于这类探头在测试点处将其自身的电容(包括电缆的电容)与示波器的输入阻抗连在了一起,所以这种探头具有负载效应。

 

    示波器探头的等效电路

 

    当信号频率啬时,探头的容性负载效应京戏得更加显著。由于电缆的类型和长度的不同以及探头本身构造等原因,1:1探头的输入电容通常可以从大约35pF到100pF以上,这等于给被测电路施加了一个低阻抗菌素负载,具有47pF输入电容1:1探头在20MHz之下的电抗仅为169W,这就使得这个探头在此频率无法使用。

 

    衰减式探头减小了负载效应

 

    我们可以在探头中增加一个和示波器输入阻抗相串联的阻抗,用这种办法就可以减小探头的负载效应。然而,这就意味着输入电压不能完全加到示波器的输入端,因为我们现在已经引入了一个分压器。

 

    给出了一处简化的探头等效电路,Rp和Rs构成了一个10:1的分压器,Rs为示波器的输入阻抗。调节补偿电容C补偿使得探头和示波器械相匹配,视觉保证了在探头的尖端获得正确的频率响应曲线,宋一来就使得这种探头的频率响应比1:1探头频率响应要宽得多。

 

    10:1示波器探头电路图

 

    示波器的标准输入电阻为1MΩ。这就要求在探头中串联9MΩ的电阻,使得在低频时探头尖端的输入阻抗为10MΩ。

 

    探头补偿

 

    一个实际的10:1探头具有几个可调的电容和电阻以便在很宽的频率范围内获得正确的频率响应,这些可调元件的大多数都是在制造探头时由工厂调好的。只有一个微调电容留给用户去调节。这个电容称为低频补偿电容,应当通过调节这个电容使得探头和与相配用的示波器匹配,使用示波器前面板上的信号输出可以很容易地进行这项调节工作,示波器的这个输出端标有"探头调节"、"校准器""CAL"或者"探头校准"等标志,并能送出一个方波输出电压。方波中包含很多频率分量。当所有这些分量都以正确的幅度送至示波器时,就能在示流器屏幕上再现方波信号。

 

    在2kHz方波和1MHz正弦波之下观察不同探头补偿情况的影响。


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