示波器探头的主要分类和各类探头的特点

2.1 无源电压探头


2.1.1 无源探头


无源探头由导线和连接器制成,在需要补偿或衰减时,还包括电阻器和电容器。探头中没有有源器件(晶体管或放大器),因此不需为探头供电。无源探头一般是最坚固、最经济的探头,它们不仅使用简便,而且使用广泛。


2.1.2 高阻无源电压探头


从实际需要出发,使用最多的是电压探头,其中高阻无源电压探头占最大部分。无源电压探头为不同电压范围提供了各种衰减系数1×,10×和100×。在这些无源探头中,10×无源电压探头是最常用的探头。对信号幅度是1V峰峰值或更低的应用,1×探头可能要比较适合,甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信号混合(几十毫伏到几十伏)的应用中,可切换1×/10×探头要方便得多。但是,可切换1×/10×探头在本质上是一个产品中的两个不同探头,不仅其衰减系数不同,而且其带宽、上升时间和阻抗(R和C)特点也不同。因此,这些探头不能与示波器的输入完全匹配,不能提供标准10×探头实现的最优性能。


2.1.3 低阻无源电压探头


大多数高阻无源探头的带宽范围在小于100MHz到500MHz或更高的带宽之间。而低阻无源电压探头(又称为50欧姆探头、Zo探头、分压器探头)的频率特性很好,采用匹配同轴电缆的探头,带宽可达10GHz和100皮秒或更快的上升时间。这种探头是为用于50欧姆环境中设计的,这些环境一般是高速设备检定、微波通信和时域反射计(TDR)。


2.1.4 无源高压探头


“高压”是相对的概念。从探头角度看,我们可以把高压定义为超过典型的通用10×无源探头可以安全处理的电压的任何电压。高压探头要求具有良好的绝缘强度,保证使用者和示波器的安全。


2.2 有源电压探头


2.2.1 有源探头


有源探头包含或依赖有源器件,如晶体管。最常见的情况下,有源设备是一种场效应晶体管(FET),它提供了非常低的输入电容,低电容会在更宽的频段上导致高输入阻抗。可以从下面的Xc公式中看出:


2.2.2 有源FET探头


有源FET探头的规定带宽一般在500MHz ~4GHz之间。除带宽更高外,有源FET探头的高输入阻抗允许在阻抗未知的测试点上进行测量,而产生负荷效应的风险要低得多。另外,由于低电容降低了地线影响,可以使用更长的地线。


有源FET探头没有无源探头的电压范围。有源探头的线性动态范围一般在±0.6V到±10V之间。


2.2.3 有源差分探头


差分信号是互相参考,而不是参考接地的信号。差分探头可测量浮置器件的信号,实质上它是两个对称的电压探头组成,分别对地段有良好绝缘和较高阻抗。差分探头可以在更宽的频率范围内提供很高的共模抑制比(CMRR)。


2.3 电流探头


从原理上来看,用电压探头测得电压值,除以被测阻抗值,很容易就可以获得电流值。然而,实际上这种测量引入的误差很大,所以一般不采用电压换算电流的方法。电流探头可以精确测得电流波形,方法是采用电流互感器输入,信号电流磁通经互感变压器变换成电压,再由探头内的放大器放大后送到示波器。


2.3.1 交流电流探头


交流电流在互感器中,随着电流方向的变化,产生电场的变化,并感应出电压。交流电流探头属于无源设备,无需外接供电。


2.3.2 直流电流探头


传统电流探头只能测量交流交流信号,因为稳定的直流电流不能在互感器中感应电流。然而,利用霍尔效应,电流偏流的半导体设备将产生与直流电场对应的电压。所以,直流电流探头是一种有源设备,需要外接供电。


所以电流探头基本上分成两类:即AC电流探头和AC/DC电流探头,AC电流探头通常是无源探头,AC/DC电流探头通常是有源探头。


2.4 逻辑探头


使用示波器观察分析数字波形的模拟特点时,需要用到逻辑探头,为隔离确切地成因,数字设计人员通常需要查看在具体逻辑条件下发生的特定数据脉冲,这要求逻辑触发功能。可以在大多数示波器中增加这种逻辑出发功能。


2.5 其他探头


由于示波器的应用范围十分广泛,所以除了上述的探头类型外还有各种专用探头,这些专业探头根据其前端传感器的不同而有不同的功用,下面我们介绍其中的两种,仅供读者了解。


光电探头在原理上是普通电压探头与光电转换器件的组合,可直接测量光器件和光纤传输的光信号。


温度探头是普通电压探头与温度传感器的组合,可直接测量物体的温度。温度探头属传感器探头的一种,各种传感器探头与示波器配合可测量多种物理量。


2018年10月17日

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