示波器原理（一）
更新時(shí)間：2021-11-12 點(diǎn)擊次數(shù)：1603
示波器因?yàn)橛刑筋^的存在而擴(kuò)展了示波器的應(yīng)用范圍，使得示波器可以在線測(cè)試和分析被測(cè)電子電路，如下圖：
其一：因?yàn)樘筋^有負(fù)載效應(yīng)，探頭會(huì)直接影響被測(cè)信號(hào)和被測(cè)電路；其二：探頭是整個(gè)示波器測(cè)量系統(tǒng)的一部分，會(huì)直接影響儀器的信號(hào)保真度和測(cè)試結(jié)果
當(dāng)探頭探測(cè)到被測(cè)電路后，探頭成為了被測(cè)電路的一部分。探頭的負(fù)載效應(yīng)包括下面3部分：
1. 阻性負(fù)載效應(yīng)；
2. 容性負(fù)載效應(yīng)；
3. 感性負(fù)載效應(yīng)。
電阻負(fù)載相當(dāng)于一個(gè)并聯(lián)在被測(cè)電路上的電阻，它對(duì)被測(cè)信號(hào)有分壓的作用，并影響被測(cè)信號(hào)的幅度和直流偏置。有時(shí)，當(dāng)增加探頭時(shí)，故障電路可能會(huì)變得正常。通常建議探頭的電阻R大于被測(cè)源電阻的10倍，以保持振幅誤差小于10%。
電容性負(fù)載相當(dāng)于在被測(cè)電路上并聯(lián)的電容，對(duì)被測(cè)信號(hào)有濾波作用，影響被測(cè)信號(hào)的上升和下降時(shí)間，影響傳輸延時(shí)、傳輸互連信道的帶寬受到影響。有時(shí)，當(dāng)增加探頭時(shí)，故障電路變得正常，并且這種電容效應(yīng)起著關(guān)鍵作用。通常建議使用具有盡可能小的電容負(fù)載的探頭，以減少對(duì)測(cè)量信號(hào)邊緣的影響。
電感性負(fù)載來(lái)自探頭接地線的電感效應(yīng)，它會(huì)與電容性負(fù)載和電阻性負(fù)載共振，從而使顯示信號(hào)振鈴。如果顯示的信號(hào)上有明顯的振鈴，有必要檢查它是被測(cè)信號(hào)的真實(shí)特征還是由接地線引起的振鈴。檢查和確認(rèn)的方法是盡可能使用最短的接地線。通常建議使用盡可能短的地線，并且一般地線電感 = 1L H/mm。
示波器探頭大的方面可以分為：無(wú)源探頭和有源探頭兩大類。無(wú)源有源顧名思義就是需不需要給探頭供電。1. 低阻電阻分壓探頭；
2. 帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o(wú)源探頭（常用的無(wú)源探頭）；
3. 高壓探頭
有源探頭細(xì)分如下：
1. 單端有源探頭；
2. 差分探頭；
3. 電流探頭
常用的高阻無(wú)源探頭和有源探頭簡(jiǎn)單對(duì)比如下：
低阻分壓探頭具有較低的電容負(fù)載 (<1pf) 、較高的帶寬 (>1.5GHz) 、較低的價(jià)格，但電阻負(fù)載非常大，一般只有500歐姆或1歐姆，因此，它只適用于測(cè)試低源阻抗的電路或只關(guān)注時(shí)間參數(shù)測(cè)試的電路。
帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o(wú)源探頭是常用的無(wú)源探頭，一般示波器的標(biāo)準(zhǔn)探頭就是這種探頭。帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o(wú)源探頭具有高輸入電阻 (一般在1Mohm以上) 和可調(diào)補(bǔ)償電容，以匹配示波器的輸入并具有高動(dòng)態(tài)范圍，它可以測(cè)試相對(duì)較大的信號(hào) (幾十幅以上)，而且價(jià)格也很低。然而，不知道輸入電容太大 (通常在10pf以上) 和帶寬低 (通常在500MHz以內(nèi))。
圖7常用的無(wú)源探頭結(jié)構(gòu)
帶補(bǔ)償?shù)母唠娮锜o(wú)源探頭具有補(bǔ)償電容器。連接示波器時(shí)，通常需要調(diào)整電容值 (調(diào)整時(shí)需要使用探頭提供的小螺絲刀進(jìn)行調(diào)整，將探頭連接到示波器補(bǔ)償輸出測(cè)試位置) 以匹配示波器輸入電容以消除低頻或高頻增益。在下圖的左側(cè)，有高頻或低頻增益。調(diào)整后的補(bǔ)償信號(hào)顯示波形如下圖右側(cè)所示。
高壓探頭是帶補(bǔ)償?shù)臒o(wú)源探頭的基礎(chǔ)上，增大輸入電阻，使得衰減加大（如：100:1或1000:1等)。因?yàn)樾枰褂媚透邏旱脑骷?，所以高壓探頭一般物理尺寸較大。
讓我們看一下使用600MHz無(wú)源探頭和1.5GHz有源探頭測(cè)試了1ns上升時(shí)間步長(zhǎng)信號(hào)的影響。脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生1ns步進(jìn)信號(hào)。經(jīng)過(guò)測(cè)試夾具，SMA電纜直接連接到示波器1.5GHz帶寬，這樣波形 (藍(lán)色信號(hào)下圖) 將顯示在示波器上并作為參考波形存儲(chǔ)。然后，使用探針點(diǎn)測(cè)量測(cè)試夾具檢測(cè)被測(cè)信號(hào)。由于探針負(fù)載的影響，通過(guò)SMA直接連接的波形變?yōu)辄S色。探測(cè)通道顯示綠色波形。然后，分別測(cè)試上升時(shí)間，可以看到無(wú)源探頭和有源探頭對(duì)高速信號(hào)的影響。
圖10無(wú)源探頭和有源探頭對(duì)被測(cè)信號(hào)和測(cè)量結(jié)果的影響
使用1165A 600MHz無(wú)源探頭，使用鱷魚(yú)嘴接地線: 受探頭負(fù)載影響，上升時(shí)間變?yōu)? 1.9ns; 探頭通道顯示的波形振鈴，上升時(shí)間為: 1.85ns;
使用1156A 1.5GHz有源探頭，使用5cm接地線: 受探頭負(fù)載影響較小，上升時(shí)間靜止: 1ns; 探頭通道顯示的波形與原始信號(hào)一致，上升時(shí)間靜止: 1ns。
單端有源探頭結(jié)構(gòu)圖如下，利用放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗相對(duì)較高 (一般大于100Kohm)，而輸入電容相對(duì)較小 (一般小于1pf)。它通過(guò)探頭放大器連接到示波器。示波器必須使用50歐姆的輸入阻抗。有源探頭帶寬寬 (現(xiàn)在可以達(dá)到30GHz)，而負(fù)載小，但價(jià)格相對(duì)較高 (通常，每個(gè)探頭達(dá)到相同帶寬示波器價(jià)格的10% 左右)，動(dòng)態(tài)范圍小 (注意這一點(diǎn)，因?yàn)槌^(guò)探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)無(wú)法正確測(cè)試。通常，動(dòng)態(tài)范圍約為5V)，這相對(duì)脆弱。使用時(shí)要小心。差分探頭結(jié)構(gòu)圖如下，利用差分放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗相對(duì)較高 (一般在50kohm以上)，而輸入電容相對(duì)較小 (一般小于1pf)。它通過(guò)差分探頭放大器連接到示波器，示波器必須使用50歐姆的輸入阻抗。差分探頭具有非常寬的帶寬 (現(xiàn)在高達(dá)30GHz) 、非常小的負(fù)載和高共模抑制比，然而，價(jià)格相對(duì)較高 (通常，每個(gè)探頭達(dá)到相同帶寬示波器價(jià)格的10% 左右)，動(dòng)態(tài)范圍也很小(這需要注意，因?yàn)槌^(guò)探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)無(wú)法正確測(cè)試。通常，動(dòng)態(tài)范圍約為3V)，這相對(duì)脆弱。使用時(shí)要小心。
差分探頭適用于測(cè)試高速差分信號(hào) (測(cè)試時(shí)不需要接地) 、放大器測(cè)試、電源測(cè)試、虛擬接地測(cè)試等應(yīng)用。
電流探頭也是有源探頭，利用霍爾傳感器和感應(yīng)線圈測(cè)量直流和交流電流。電流探頭將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，示波器收集電壓信號(hào)并將其顯示為電流信號(hào)。電流探頭可以測(cè)試從幾十毫安到幾百安培的電流，并且使用時(shí)需要抽出電流線 (電流探頭是將導(dǎo)線夾在中間進(jìn)行測(cè)試，這不會(huì)影響被測(cè)試電路)。
電流探頭在測(cè)試直流和低頻交流時(shí)的工作原理：
當(dāng)電流鉗閉合且中心封閉有電流的導(dǎo)體時(shí)，將出現(xiàn)磁場(chǎng)作為響應(yīng)。這些磁場(chǎng)使霍爾傳感器內(nèi)的電子偏轉(zhuǎn)，并在霍爾傳感器的輸出端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。電流探頭根據(jù)這種電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生反向 (補(bǔ)償) 電流并送至電流探頭的線圈，使電流中的磁場(chǎng)夾緊為零，以防止飽和。電流探頭根據(jù)逆流測(cè)量實(shí)際電流值。用這種方法，可以非常線性地測(cè)量大電流，包括交流/直流混合電流。
圖13電流探頭測(cè)試直流和低頻時(shí)的工作原理
電流探頭在測(cè)試高頻時(shí)的工作原理：
隨著測(cè)量電流頻率的增加，霍爾效應(yīng)逐漸減弱。當(dāng)測(cè)量沒(méi)有直流分量的高頻交流電流時(shí)，它們中的大多數(shù)通過(guò)磁場(chǎng)的強(qiáng)度直接感應(yīng)到電流探頭線圈。此時(shí)，探頭就像一個(gè)電流互感器。電流探頭直接測(cè)量感應(yīng)電流而不是補(bǔ)償電流。功率放大器的輸出為線圈提供低阻抗接地回路。
圖14電流探頭測(cè)試高頻時(shí)的工作原理
電流探頭在交叉區(qū)域時(shí)的工作原理：
當(dāng)電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區(qū)域時(shí)，部分測(cè)量是通過(guò)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的，另一部分是通過(guò)線圈實(shí)現(xiàn)的。
