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示波器探頭淺談 示波器是如何工作的

時間：2020-08-05    來源：儀多多儀器網    作者：儀多多商城     
一個理想的探頭應當易于連接，具有可靠而安全的觸點、不會降低其傳輸信號的質量或者造成失真、具有線性的相位行為、無衰減、具有無限的帶寬、高的抗噪性能以及不會成為信號源的負載。然而，實際上所有這些屬性均不可能絕對實現(xiàn)，而且某些情況下離所要求的測量情況還會有很大的差距。實際應用中，需要測量的信號往往難以獲取，其阻抗變化可能非常大，整體設置對噪聲非常敏感而且依賴于頻率，帶寬有限，而且信號傳播的差異會在多個測量通道之間引起輕微的時間偏差（相位和時間偏差）。 

幸運的是，示波器制造商竭盡全力將與探頭相關的影響降至最低，使其能夠更容易連接到電路，而且性能更可靠。比如，一只手拿著探頭而另一只手操作示波器的方式是很難做到的。 

因此，R&S RTO系列示波器的有源探頭讓用戶能夠利用探頭上的一個按鈕來控制示波器功能，而且包含許多功能的控制。該測量儀器上還具備一個稱為R&S ProbeMeter的集成電壓計，可以進行比傳統(tǒng)示波器通道更為準確的DC測量。 

電壓探頭以及AC或者AC/DC電流探頭是兩款基本的探頭類型。但是還存在許多專為具體測量任務而設計的其它探頭，包括設計用于數(shù)字電路邏輯狀態(tài)故障排解的邏輯探頭。環(huán)境探頭設計為可以在廣泛的溫度范圍下工作，而溫度探頭可以用來測量組件的溫度，并且可以用在很可能出現(xiàn)高溫的電路中。另外還有設計用于晶片級探測站中的探頭，以及將光信號轉換為電信號的光學探頭，使得能夠在示波器上查看光學信號，某些特定的探頭還可用于測量高電壓。 

示波器探頭分類 

無源探頭 

無源探頭是較為簡單而且價格較為便宜的探頭類型，可以提供大部分必需的測量功能。無源探頭本質上由電線和接頭所構成，而當需要衰減時，還會具備電阻和電容。無源探頭中不存在有源組件，所以無需示波器提供電源也能進行工作，本質上非常耐用。 

1X（“單倍”）探頭是指探頭具有與示波器相同的動態(tài)范圍，而衰減探頭則是通過將信號電平衰減 10 倍、100 倍甚至更高的倍數(shù)，從而擴展儀器的測量范圍。較為通用的探頭是 10X 類型的探頭，因為它所造成的負載效應很低，而且提供更大的電壓測量范圍。10X 探頭是許多儀器的典型“標配”探頭。 

連接至示波器 1M歐姆輸入端的 1X 無源高阻抗探頭具有很高的靈敏度（小衰減），而將 10:1 的無源高阻抗探頭連接到示波器的 1M 歐姆輸入端時，可以提供比 1X 探頭更寬廣的動態(tài)范圍、更高的輸入阻抗以及更低的電容。將 10:1 無源低阻抗探頭連接至示波器的 50 歐姆輸入端時，其阻抗幾乎不隨頻率變化而變化，但由于其標稱阻抗為 500 歐姆，因此會成為信號源的一個明顯負載。 

當信號幅值相當?shù)蜁r，便需要采用1X探頭；但對于中低幅值成分混合的信號，采用1X/10X衰減比可調探頭則更為方便。無源探頭的典型帶寬范圍為小于100 MHz ~ 500 MHz。對于50歐姆環(huán)境中所遇到的高速（高頻）信號，需要采用50歐姆的探頭，其帶寬可達數(shù)千兆赫茲，上升時間可達100 ps甚至更快。 

無源探頭中包含一個低頻調整控件，在探頭連接至示波器時使用。低頻補償用于使探頭的電容與示波器輸入端的電容相匹配。高頻調整控件僅適用于50 MHz以上的工作頻率。特定供應商用于更高頻率的無源探頭會在出廠前完成調整，所以僅須執(zhí)行低頻調整。而有源探頭則無須執(zhí)行這些類型的調整，因為它們的屬性和補償均在出廠前便已確定。 

有源探頭

有源探頭的優(yōu)點包括對信號源的負載很低，探頭尖端具有可調的直流偏置（對直流電平上疊加的交流信號具有高分辨率），以及能夠被示波器自動識別，無須手動調節(jié)。有源探頭具有單端型及差分型兩種類型。有源探頭采用了諸如場效應晶體管等有源元件，其輸入電容非常低，對于在大頻率范圍內保持高輸入阻抗來說很有好處。它們還可以用來測量阻抗未知的電路，并且允許使用更長的接地線。由于有源探頭的負載極低，所以當連接至高阻抗電路時（無源探頭的負載相對來說過大），有源探頭是必不可少的。 

然而，有源探頭中的集成緩沖放大器只能在有限的電壓范圍內工作，而有源探頭的阻抗取決于信號的頻率。此外，雖然有源探頭可以用來處理上千伏特的電壓，但其畢竟是有源器件，機械可靠程度比不上無源探頭。 

差分探頭

盡管可以對各個信號采用單獨的探頭進行探測并測量出差分信號，但較佳方法仍然是采用差分探頭。差分探頭利用內置的差分放大器對兩個信號進行相減，因此僅占用一個示波器通道，而且還能在比單端型探頭更寬廣的頻率范圍內提供足夠高的 CMRR（共模抑制比）性能。差分探頭可以使用在單端和差分應用中。 

電流探頭

電流探頭通過測量電流流經導體時所產生的電磁通量場來測量電流。然后，電磁通量場會被轉換成為對應的電壓，以供示波器進行測量和分析。當示波器的測量與數(shù)學功能結合使用時，電流探頭讓用戶能夠執(zhí)行各種各樣的功率測量。 

高壓探頭

常規(guī)用途的無源探頭最大適用電壓一般在 400V 左右。當電路中遇到比如 20 kV 的高電壓時，需要利用專門的探頭才能進行安全測量。很明顯，在對如此之高的電壓進行測量時，安全是首要考慮因素，而這種類型的探頭通常會利用十分長的線纜長度來適應高電壓。 

探頭的注意事項 

電路負載

探頭附加到電路上最基本以及較為重要的特征便是負載，而這種負載有阻性、容性和感性負載之分。阻性負載會造成幅值衰減和直流漂移偏置，并且會改變電路的偏壓。如果探頭的輸入電阻與所探測的信號電阻相同的話，那么阻性負載就會變得非常大，因為電路中的一部分電流會流入探頭。這樣反過來會降低電路與探針接觸位置的電壓。 

實際上，這可能使得本來出現(xiàn)故障的電路正常工作，但更多情況下會導致電路的工作出現(xiàn)錯誤。為了降低電阻負載所造成的影響，一般會采用探頭阻值高于被測電路阻值 10 倍以上的探頭進行測量。 

電容負載會降低信號的上升速度，降低帶寬，以及增加傳輸延遲，電容負載是由探頭尖端的電容所引起的。它引入了頻率的測量誤差，而且是進行延遲和上升時間測量時的最大影響因素。電容負載是由于探頭中的電容所引起的，在高頻中表現(xiàn)為一個高通濾波器，從而使得高頻信息經地線流走，顯著地降低了探頭在高頻情況下的輸入阻抗。因此，需要采用尖端電容較小的探頭。 

感性負載也會導致測量信號失真，它是由探頭尖端至探頭接地導線之間的環(huán)形部分的電感所引起的。地線中的感性負載連同探頭尖端的電容所引起的信號振蕩可以通過有效的接地而得到減輕，這樣可以提高振蕩頻率使其超出儀器的帶寬。接地導線的長度應盡可能地短，才能減少回路的長度，從而將電感降至最低。較低的電感可以將被測波形頂部的振蕩降至最低。 

接地 

當使用示波器進行測量時，為了獲得準確的結果以及保證操作員的安全（尤其是在處理高電壓的時候），務必采取正確的接地。儀器必須通過電源線接地，并且切勿在“保護接地”斷開的情況下進行操作。當被測設備的信號地通過另一個位置的電源接地而引起接地回路時，這將會導致出現(xiàn)不必要的低頻嗡嗡聲。常見的處理方式是將信號地與電源地隔離開來，然后在靠近信號針腳的位置與信號地建立連接。 

探頭選擇流程 

選擇合適（電壓）的探頭有兩個具有決定性的因素：在不失真情況下捕捉波形所需的帶寬，以及將電路負載降至最低所需的最小阻抗。規(guī)定的示波器帶寬僅適用于 50 歐姆的輸入阻抗以及有限的輸入電壓范圍。為了保持諧波和波形的完整性，儀器的帶寬必須至少是被測的最高脈沖頻率的五倍。 

對于交流測量來說，所規(guī)定的直流阻抗的數(shù)值是很小的。隨著頻率增大，阻抗會變小，而無源探頭阻抗變小的程度較為明顯。嘗試將輸入阻抗保持為最高信號頻率時信號源阻抗的10倍，有源探頭和無源探頭之間可以很容易進行選擇。這樣能夠將選擇范圍縮小至僅有一個或者兩個與測量設置要求較為吻合的探頭型號。對于微波波段的示波器帶寬，肯定是有源探頭具有最大優(yōu)勢。 

請謹記，10x無源探頭的低頻阻抗是最高的，而且無源探頭一般不會引起直流偏置或者引入噪聲。而有源探頭可以在數(shù)千赫茲的頻率下提供恒定阻抗，而且在數(shù)百兆赫茲的頻率下具有最高阻抗。低阻抗探頭可以在高達1 GHz的頻率下提供恒定阻抗，盡管能夠在某一頻率下保持令人滿意的恒定阻抗，但較低的阻抗能夠避免諧波信號出現(xiàn)失真。 

簡言之，在信號頻率成分高于100 MHz的場合中建議使用有源探頭，而且低的輸入阻抗會導致較高的諧振頻率。與有源探頭之間的連接應盡可能短，以確保提供可用的高帶寬。此外，如果接地電平不穩(wěn)定，便需要使用差分探頭。 

對于無源探頭，重要的一點是采用特定儀器所建議使用的探頭型號，即便該探頭的帶寬規(guī)范高于使用需要。低輸入電容會導致較高諧振頻率。接地導線應盡可能地短，以降低地線的電感。測量陡峭上升沿時間的時候必須小心謹慎，因為諧振頻率會遠遠低于系統(tǒng)帶寬。探頭的阻抗應大約為電路測量點阻抗的十倍，才不致于向電路引入太大的負載。
示波器的基本結構

　　示波器的主要部分有示波管、帶衰減器的Y軸放大器、帶衰減器的X軸放大器、掃描發(fā)生器（鋸齒波發(fā)生器）、觸發(fā)同步和電源等，其結構方框圖如圖1所示。為了適應各種測量的要求，示波器的電路組成是多樣而復雜的，這里僅就主要部分加以介紹：

　　一、示波管　　如上圖所示，示波管主要包括電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏三部分，全都密封在玻璃外殼內，里面抽成高真空。下面分別說明各部分的作用。　　1、熒光屏：它是示波器的顯示部分，當加速聚焦后的電子打到熒光上時，屏上所涂的熒光物質就會發(fā)光，從而顯示出電子束的位置。當電子停止作用后，熒光劑的發(fā)光需經一定時間才會停止，稱為余輝效應?！　?、電子槍：由燈絲H、陰極K、控制柵極G、第一陽極A1、第二陽極A2五部分組成。燈絲通電后加熱陰極。陰極是一個表面涂有氧化物的金屬筒，被加熱后發(fā)射電子?？刂茤艠O是一個頂端有小孔的圓筒，套在陰極外面。它的電位比陰極低，對陰極發(fā)射出來的電子起控制作用，只有初速度較大的電子才能穿過柵極頂端的小孔然后在陽極加速下奔向熒光屏。示波器面板上的“亮度”調整就是通過調節(jié)電位以控制射向熒光屏的電子流密度，從而改變了屏上的光斑亮度。陽極電位比陰極電位高很多，電子被它們之間的電場加速形成射線。當控制柵極、第一陽極、第二陽極之間的電位調節(jié)合適時，電子槍內的電場對電子射線有聚焦作用，所以第一陽極也稱聚焦陽極。第二陽極電位更高，又稱加速陽極。面板上的“聚焦”調節(jié)，就是調第一陽極電位，使熒光屏上的光斑成為明亮、清晰的小圓點。有的示波器還有“輔助聚焦”，實際是調節(jié)第二陽極電位?！　?、偏轉系統(tǒng)：它由兩對相互垂直的偏轉板組成，一對垂直偏轉板Y，一對水平偏轉板X。在偏轉板上加以適當電壓，電子束通過時，其運動方向發(fā)生偏轉，從而使電子束在熒光屏上的光斑位置也發(fā)生改變?！　∪菀鬃C明，光點在熒光屏上偏移的距離與偏轉板上所加的電壓成正比，因而可將電壓的測量轉化為屏上光點偏移距離的測量，這就是示波器測量電壓的原理。　　二、信號放大器和衰減器　　示波管本身相當于一個多量程電壓表，這一作用是靠信號放大器和衰減器實現(xiàn)的。由于示波管本身的X及Y軸偏轉板的靈敏度不高（約0.1—1mm/V），當加在偏轉板的信號過小時，要預先將小的信號電壓加以放大后再加到偏轉板上。為此設置X軸及Y軸電壓放大器。衰減器的作用是使過大的輸入信號電壓變小以適應放大器的要求，否則放大器不能正常工作，使輸入信號發(fā)生畸變，甚至使儀器受損。對一般示波器來說，X軸和Y軸都設置有衰減器，以滿足各種測量的需要?！?i>　三、掃描系統(tǒng)　　掃描系統(tǒng)也稱時基電路，用來產生一個隨時間作線性變化的掃描電壓，這種掃描電壓隨時間變化的關系如同鋸齒，故稱鋸齒波電壓，這個電壓經X軸放大器放大后加到示波管的水平偏轉板上，使電子束產生水平掃描。這樣，屏上的水平坐標變成時間坐標，Y軸輸入的被測信號波形就可以在時間軸上展開。掃描系統(tǒng)是示波器顯示被測電壓波形必需的重要組成部分。

標簽: 示波器
示波器 示波器的基本結構_示波器 就像大多數(shù)技術一樣，示波器也同樣在與時俱進。以往只有昂貴的“頂級”示波器才具備的功能，現(xiàn)在已普及到低價位的示波器中。這些功能包括可升級帶寬、存儲深度、大顯示屏和高速波形捕獲率等等。過去的高端示波器配有以太網、USB、GPIB、VGA、觸發(fā)輸入、觸發(fā)輸出連接，經濟型示波器往往不具備所有的連接，甚至有的示波器還在使用軟盤驅動器或只有GPIB接口。

幸運的是新的連通性選項已經開始普及到更便宜的示波器。對于非Windows示波器，現(xiàn)在有哪些新的選項呢？

USB連通性

在幾乎所有情況下，示波器都已經用USB取代了軟盤驅動器。當用戶要保存屏幕截圖或數(shù)據(jù)文件時，只需插入U盤保存截圖和數(shù)據(jù)??。這通常被稱為“USB主機端”。正如您所預期的，USB提供遠遠超過以往各種數(shù)據(jù)保存選項的技術優(yōu)勢，包括更大的存儲空間(Agilent 2000和3000 X系列高達128GB)，更小的外形尺寸和更容易傳送到您的PC(還記得您最后一次使用軟盤驅動器的時間嗎？)。

經由USB主端的連接通常被稱為“中介”，雖然您能輕松地使用 U盤向示波器或從示波器傳輸文件，但這還不是真正的直接連接。您還必須通過“中介”用 U盤在計算機和示波器間傳遞信息。

但這還不是真正的直接連接。您還必須通過“中介”用 U盤在計算機和示波器間傳遞信息。


圖1：保存∕調用屏幕。您能通過遠地用戶界面直接從 PC 保存和調用設置。此外，您還能保存圖像和數(shù)據(jù)，甚至把您已建立的模板直接保存到PC 中

除USB主端外，許多示波器現(xiàn)在還有USB設備端連接。它不是用于連接U盤，而是代之以允許您通過USB從遠地控制示波器。為啟用此連接，要把PC上的USB主機端與示波器上的USB設備端通過USB電纜接到一起。

USB設備端連接通常涉及某類驅動程序庫。Agilent使用它的IO庫，其中包括幫助您設置示波器鏈接的程序。連接建立后，就可使用命令控制示波器。

以太網連通性

雖然USB連接目前已很常見，但以太網連接，特別是對于較便宜的非Windows示波器還是相當新的技術?，F(xiàn)在您有能力在以太網上遠地控制示波器，甚至能在網絡打印機上打印示波器的測量結果。以太網連通性不僅提供了示波器的另一種連接方式，被稱為LXI(LAN在儀器領域的擴展)的新型以太網連接更為與測試設備的交互提供了一種全新的方式。LXI不僅能容易地配置您的測試系統(tǒng)，通過各種連通性選項(包括GPIB這類傳統(tǒng)標準)與其他儀器相集成外，它還有許多使示波器交互非常強大的極為獨特的能力。例如Agilent LXI儀器內嵌一個Web服務器。這一內嵌網頁有許多突出的優(yōu)點：

* 識別示波器信息，如型號、序列號、主機名、IP地址和VISA(地址)連接字符串

* 通過電腦上的虛擬前面板遠程控制示波器

* 通過SCPI命令窗發(fā)送SCPI(可程控儀器的標準命令)命令的能力

* 在PC上保存設置，波形數(shù)據(jù)(多種格式)和模板文件的能力

* 從PC上調用設置，波形數(shù)據(jù)文件和模板文件的能力

* 捕獲屏幕圖像，把圖像容易地增添到文檔中的能力

* 對正被控制的示波器有‘激活中’的信息閃動 —— 這在當您控制機柜中多臺示波器中的某一臺時，特備有用，因為您不需要做任何特別的動作，就知道目前是哪一臺示波器受控。

* 透過網絡升級固件的能力

通過虛擬前面板遠程控制示波器

LXI儀器提供通過虛擬前面板實現(xiàn)遠程控制的能力。虛擬前面板重現(xiàn)示波器的所有功能。有些示波器，如Agilent InfiniiVision X系列示波器為您提供兩種虛擬前面板選項：

1. 基本虛擬前面板

2. 和物理示波器一模一樣的虛擬前面板

基本虛擬前面板通常是示波器適用功能的簡視圖。對于只有有限的屏幕分辨率，因此要把與示波器的交互壓縮到極有限范圍的PC來說，這是理想的遠程控制方式。它也更適合鼠標，而不是手指的觸摸驅動。


圖2：基本虛擬前面板。注意其更緊湊的顯示，它更適合分辨率較低的顯示和∕或主要使用鼠標控制的用戶

Agilent InfiniiVision X系列示波器還有另一選項，這就是和真實示波器前面板一模一樣的虛擬前面板。這種虛擬前面板與示波器前面板功能相同，這也是較為明顯的使用方式和好處。它對于有可能遠地使用示波器的人是非常理想的，因為它們有同樣的外觀和操作方式，就像是直接操縱著示波器。如果是使用觸摸屏 PC，您更能輕松地使用手指與鼠標在這種前面板上實現(xiàn)遠程控制。

除了遠地界面和示波器前面板的類似外觀和操作方式是一個極大優(yōu)點，這一遠地示波器前面板的另一重大使用優(yōu)點是培訓和教育。當您成立新的生產線或實驗室，如果不是每個人在任何時間都能分到一臺示波器，您可將InfiniiVision示波器連接到公司內部網絡，這樣任何人輸入該示波器IP地址，就可以練習使用它，這樣等到示波器拿到自己面前時，已經很熟悉它的操作了。它也是功能強大的教學工具，有了這一功能，實驗室中的老師就可通過其虛擬前面板與一臺示波器互動，學生就可看到示波器的操作，觀察老師與它互動、捕獲屏幕和保存數(shù)據(jù)等操作。盡管多人操作時，不能在同一時間進行不同的動作，但對于設備有限的實驗室來說，讓許多學生分時使用或同時觀察一臺示波器是非常有用的。

虛擬前面板和實際示波器前面板一模一樣，帶來的另一個好處是，工程師能調解不同地點多個團隊間的問題。團隊工程師和您直接看到的是完全相同的前面板和信號波形，因此可通過直接交流解決大家關注的問題。


圖3：虛擬示波器前面板。這一虛擬控制界面精確復制了示波器的前面板，熟悉示波器前面板的用戶能立即啟用。它也是培訓和多站點協(xié)同的理想選擇

本文結論

如果您還在使用著帶有軟盤驅動器，甚至是僅有USB的示波器，您可能會對這些新的連通技術，特別是對其極低的價格點感到吃驚。隨著示波器的更新?lián)Q代，它們變得越來越強大，靈活和易用。示波器新的功能特性，如以太網連接，如果再結合Web服務器功能，將極大提高您的生產力。

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