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示波器探頭淺談 [2014/9/27]

   一個理想的探頭應當易于連接,具有可靠而安全的觸點、不會降低其傳輸信号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号源的負載。然而,實際上所有這些屬性均不可一個理想的探頭應當易于連接,具有可靠而安全的觸點、不會降低其傳輸信号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号源的負載。然而,實際上所有這些屬性均不可能絕對實現,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,需要測量的信号往往難以獲取,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,而且信号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将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,一隻手拿着探頭而另一隻手操作示波器的方式是很難做到的。
    因此,R&S RTO系列示波器液位計物位計物位變送器液位變送器電容式物位計電容式液位計電容式物位變送器電容式液位變送器物位開關液位開關電容液位計電容物位計液位儀表物位儀表電容液位變送器電容物位變送器射頻電容式液位開關射頻電容式物位開關電容式液位開關電容式物位開關音叉式液位開關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,可以進行比傳統示波器通道更為準确的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,包括設計用于數字電路邏輯狀态故障排解的邏輯探頭。環境探頭設計為可以在廣泛的溫度範圍下工作,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,以及将光信号轉換為電信号的光學探頭,使得能夠在示波器上查看光學信号,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最簡單而且價格最便宜的探頭類型,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态範圍,而衰減探頭則是通過将信号電平衰減 10 倍、100 倍甚至更高的倍數,從而擴展儀器的測量範圍。最為通用的探頭是 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範圍。10X 探頭是許多儀器的典型“标配”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),而将 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 探頭更寬廣的動态範圍、更高的輸入阻抗以及更低的電容。将 10:1 無源低阻抗探頭連接至示波器的 50 歐姆輸入端時,其阻抗幾乎不随頻率變化而變化,但由于其标稱阻抗為 500 歐姆,因此會成為信号源的一個明顯負載。
    當信号幅值相當低時,便需要采用1X探頭;但對于中低幅值成分混合的信号,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範圍為小于100 MHz ~ 500 MHz.對于50歐姆環境中所遇到的高速(高頻)信号,需要采用50歐姆的探頭,其帶寬可達數千兆赫茲,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。高頻調整控件僅适用于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,所以僅須執行低頻調整。而有源探頭則無須執行這些類型的調整,因為它們的屬性和補償均在出廠前便已确定。
    有源探頭有源探頭的優點包括對信号源的負載很低,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号具有高分辨率),以及能夠被示波器自動識别,無須手動調節。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,對于在大頻率範圍内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隻能在有限的電壓範圍内工作,而有源探頭的阻抗取決于信号的頻率。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号采用單獨的探頭進行探測并測量出差分信号,但最佳方法仍然是采用差分探頭。差分探頭利用内置的差分放大器對兩個信号進行相減,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範圍内提供足夠高的 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産生的電磁通量場來測量電流。然後,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學功能結合使用時,電流探頭讓用戶能夠執行各種各樣的功率測量。
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