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技術(shù)文章

如何選擇一個合適的示波器探頭？

閱讀：205發(fā)布時間：2022-2-9

探頭對示波器測量至關(guān)重要。為了解其重要意義，從示波器上不連接探頭，試著進(jìn)行測量，結(jié)果是不能進(jìn)行測量。在被測信號和示波器的輸入通道之間必需有某類電連接，也就是某類探頭。

探頭除對示波器測量至關(guān)重要外，探頭對測量質(zhì)量也非常關(guān)鍵。把探頭連接到電路上可能會影響電路操作，示波器只能顯示和測量探頭傳送到示波器輸入上的信號。

因此，探頭對探測的電路影響必須達(dá)到最小，并對所期望的測量保持足夠的信號保真度。如果探頭不能保持信號保真度，如果它以任何方式改變信號或改變電路運行的方式，示波器會看到實際信號的失真結(jié)果，進(jìn)而可能會導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果或誤導(dǎo)性的測量結(jié)果。

信號源怎樣把其屬性轉(zhuǎn)換成相應(yīng)探頭選型指標(biāo)？示波器提出了某些要求，在選擇探頭的過程中，必須考慮這些要求。

選擇適當(dāng)?shù)奶筋^

由于廣泛的示波器測量應(yīng)用和需求，市場上可供選擇的示波器探頭很多，因此探頭選擇過程很容易引起混淆。

為減少大量的混淆及縮小選擇過程，應(yīng)一直遵守示波器制造商的探頭建議，這一點非常重要！因為不同的示波器是有不同的帶寬、上升時間、靈敏度和輸入阻抗。充分利用示波器的測量功能要求探頭要與示波器的設(shè)計相匹配。

此外，探頭選擇過程應(yīng)考慮測量需求。您要測量哪些項目？是電壓？電流？還是光信號？通過選擇適合信號類型的探頭，可以更快地獲得直接測量結(jié)果。

另外，要考慮測量的信號幅度。它們是否位于示波器的動態(tài)范圍內(nèi)？如果不是，必需選擇可以調(diào)節(jié)動態(tài)范圍的探頭。一般來說，這通過使用10X 或更高的探頭進(jìn)行衰減來實現(xiàn)。

要保證探針上的帶寬或上升時間應(yīng)超過計劃測量的信號頻率或上升時間。要記住，非正弦曲線信號具有重要的頻率成分或諧波，其可能會在很大程度上超過信號的基頻。例如，為了測量包括100MHz方形波的第5個諧波，您需要探針上的帶寬為500MHz的測量系統(tǒng)。類似的，示波器系統(tǒng)的上升時間應(yīng)該比計劃測量的信號上升時間快 3-5 倍。

另外，應(yīng)一直考慮探頭可能導(dǎo)致的信號負(fù)載。盡量使用高電阻、低電容探頭。對大多數(shù)應(yīng)用，帶有20pF或更低電容的10M探頭應(yīng)為信號源負(fù)載提供充足的保證。但是，對某些高速數(shù)字電路，您可能需要轉(zhuǎn)向有源探頭提供較低的電容。

最后記住在進(jìn)行測量前，必須能夠把探頭連接到電路上。這可能要求選擇時專門考慮探頭頭部規(guī)格和探針適配器，以簡單方便地連接電路。

理解信號源

在選擇探頭時要考慮四個基本信號源問題，即信號類型、信號頻率成分、信號源阻抗和測試點的物理屬性。

信號類型：探頭選擇的步是評估要探測的信號類型。為此，可以把信號劃分為：

■ 電壓信號

■ 電流信號

■ 邏輯信號

■ 其它信號

電壓信號是電子器件測量中最經(jīng)常遇到的信號類型，也正因如此，電壓傳感探頭是的示波器探頭類型。此外，應(yīng)該指出，由于示波器在輸入上要求電壓信號，因此其它類型的示波器探頭在本質(zhì)上是把傳感到的現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓信號的轉(zhuǎn)換器。一個常見實例是電流探頭，它把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，以在示波器查看信號。

邏輯信號實際上是特殊類型的電壓信號。可以使用標(biāo)準(zhǔn)電壓探頭查看邏輯信號，但更常見的情況是必需查看特定的邏輯事件。設(shè)置一個邏輯探頭提供觸發(fā)信號給示波器，當(dāng)滿足規(guī)定的邏輯組合觸發(fā)條件，這允許在示波器顯示屏上查看特定的邏輯事件。

限制帶寬的主要影響是降低信號幅度。信號的基頻越接近探頭的3dB帶寬，探頭輸出上看到的整體信號幅度越低。在3dB 點上，幅度下降30%。此外，由于帶寬滾降，擴(kuò)展到探頭帶寬之上的信號諧波或其它頻率成分會經(jīng)歷更高程度的衰減。

還應(yīng)該指出，探針電容也限制著信號轉(zhuǎn)換的上升時間。但是，這與信號源阻抗和信號源負(fù)載有關(guān)。

信號源阻抗

討論信號源阻抗阻抗可以提煉為下面幾個要點：

1. 探頭的阻抗與信號源阻抗相結(jié)合，產(chǎn)生新的信號負(fù)載阻抗，其在一定程度上會影響信號幅度和信號上升時間。

2. 在探頭阻抗明顯高于信號源阻抗時，探頭對信號幅度的影響可以忽略不計。

3. 探針電容也稱為輸入電容，影響著信號的上升時間。這是由于把探頭的輸入電容從10%提高到90%所需的時間導(dǎo)致的，其公式如下：

tr = 2.2 x Rsource x Cprobe

從上面幾點中，可以明顯看出選擇高阻抗、低電容探頭，以限度降低信號源的探頭負(fù)載。此外，通過在可能的地方選擇低阻抗信號測試點，可以進(jìn)一步降低探頭負(fù)載的影響。

物理連接考慮因素

信號測試點的位置和形狀也是探頭選擇的主要考慮因素。其是否足夠，剛好把探頭接觸到測試點上、在示波器上觀察信號？還是必需使探頭連接測試點，以監(jiān)測信號，同時進(jìn)行各種電路調(diào)節(jié)？對前一種情況，適合采用針式探針；而對后一種情況，則要求某類可收縮的掛鉤探針。

測試點的規(guī)格也影響著探頭選擇。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的探頭和配件特別適合探測連接器針腳、電阻器引線和背板。但為了探測表面封裝電路，我們推薦使用帶有為表面封裝應(yīng) 用專門設(shè)計的配件的小型探頭。目標(biāo)是選擇特定應(yīng)用的探頭規(guī)格、形狀和配件，從而可以迅速、簡便、牢固地把探頭連接到測試點上，以可靠地進(jìn)行測量。

示波器問題：示波器問題對探頭選型的影響與信號源問題一樣重要。如果探頭與示波器不匹配，將損害探頭的示波器一端信號保真度。

帶寬和上升時間：必需認(rèn)識到，示波器及其探頭是作為一個測量系統(tǒng)一起工作的。因此，使用的示波器帶寬和上升時間指標(biāo)應(yīng)大于等于使用的探頭指標(biāo)，使其足以測量信號。

這些探頭放大器系統(tǒng)專用程度高，是為了與特定的示波器型號匹配而設(shè)計的。結(jié)果，在選擇示波器時一定要檢查制造商為差分探頭系統(tǒng)推薦的配件，以滿足小信號應(yīng)用要求。

注意：差分探頭系統(tǒng)通常包含靈敏的器件，過壓可能會損壞這些器件，包括靜電放電。為避免損壞探頭系統(tǒng)，一直應(yīng)遵循制造商的建議，并遵守所有注意事項。

讀數(shù)功能。大多數(shù)現(xiàn)代示波器在屏幕上提供了垂直靈敏度和水平靈敏度設(shè)置(伏/格和秒/格)的讀數(shù)。這些示波器通常還提供了探頭傳感和讀數(shù)處理功能，從而讀數(shù)可以正確跟蹤使用的探頭類型。例如，如果使用10X 探頭，通過以10X 系數(shù)調(diào)節(jié)垂直讀數(shù)，示波器應(yīng)大體反映靈敏度。如果使用電流探頭，垂直讀數(shù)將從伏/格變?yōu)榘才?格，以體現(xiàn)正確的度量單位。

為利用這些讀數(shù)功能，應(yīng)使用兼容示波器讀數(shù)系統(tǒng)的探頭。也應(yīng)該遵循制造商與特定示波器一起使用探頭的建議。這對新型示波器尤其重要，其可能具有許多通用探頭或商用探頭沒有全面支持的高級讀數(shù)功能。

選擇正確的探頭

從前面討論的信號源和示波器問題中可以明顯看出，如果沒有一定的幫助，選擇適當(dāng)?shù)奶筋^是一個非常麻煩的過程。事實上，由于并沒有一直某些關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)，如探頭上升時間和示波器輸入電容，在某些情況下選擇過程可能會變成猜測性的工作。

為避免猜測性的工作，選擇在推薦配件清單中包括可以廣泛選擇探頭的適配器。另外，在遇到新的測量要求時，一定要與示波器制造商核對新推出的、可能擴(kuò)展示波器功能的探頭。

最后，記住對任何給定應(yīng)用，實際上并沒有“合適的"探頭選型，而只有“合適的"示波器 / 探頭組合選項，它們首先取決于界定的信號測量要求，包括：

■ 信號類型(電壓, 電流, 光接口等等)

■ 信號頻率成分(帶寬問題) 信號上升時間

■ 信號源阻抗(電阻和電容)

■ 信號幅度 (值, 最小值) 測試點形狀(帶引線的器件, 表面封裝等)

通過考慮上述問題及填寫具體的應(yīng)用信息，可以找到能夠滿足所有應(yīng)用需求的示波器和各種兼容探頭。

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