01示波器探頭概述

圖表 1示波器與探頭

在電子工程師的工具箱里，示波器無疑是最核心的儀器之一。它就像一把“電子世界的放大鏡”，能夠捕捉電路中的瞬態(tài)信號，幫助我們看清那些肉眼無法察覺的波形變化。而探頭是示波器測量系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，它就像示波器感知被測信號的 “觸角”，起到了信號傳輸和匹配的關(guān)鍵作用。在電子測量領(lǐng)域，無論是對模擬電路還是數(shù)字電路的信號進行觀測分析，探頭都廣泛應用其中。

探頭主要分為有源探頭和無源探頭兩大類。有源探頭內(nèi)部包含放大器等有源元件，能夠提供更高的帶寬和更低的輸入電容，適用于高頻、低幅度信號的測量。然而，無源探頭因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高而成為最常見的一種探頭類型。

圖表 2無源探頭

02示波器無源探頭的工作原理

從外觀上看，無源探頭通常由探頭尖端、地線夾、探頭主體以及與示波器相連的接口等部分構(gòu)成。探頭尖端用于接觸被測電路的測試點，地線夾則確保電路的地與示波器的地良好連接，從而形成完整的信號回路。

當探頭尖端接觸到被測電路的信號點時，被測信號會通過探頭內(nèi)部的電路傳輸?shù)绞静ㄆ?。在傳輸過程中，無源探頭會對信號進行一定程度的衰減和調(diào)整，以使信號能夠在示波器的輸入范圍內(nèi)并準確地反映真實情況。

探頭內(nèi)部通常會有一個衰減網(wǎng)絡，一般由電阻和電容組成。例如常見的 10:1 衰減探頭，其內(nèi)部電路可以使輸入信號的幅值衰減為原來的十分之一，同時對信號的頻率特性等進行相應的匹配調(diào)整，確保示波器能夠正確地顯示信號的波形和特征。

此外，探頭還需要與示波器的輸入阻抗進行匹配，以減少信號反射和失真。通常示波器的輸入阻抗是 1MΩ，無源探頭通過內(nèi)部的阻抗匹配電路，使得整個測量系統(tǒng)的輸入阻抗接近理想狀態(tài)，從而獲得準確的測量結(jié)果。

03示波器無源探頭的主要參數(shù)

1.寬帶

帶寬是無源探頭一個至關(guān)重要的參數(shù)，它決定了探頭能夠準確測量的信號頻率范圍。例如，一個帶寬為 100MHz 的無源探頭，理論上能夠較好地對頻率在 100MHz 以下的信號進行測量。如果信號頻率超過探頭的帶寬，探頭會對信號產(chǎn)生較大的衰減和失真，導致測量結(jié)果不準確。所以在選擇無源探頭時，要根據(jù)被測電路中信號的最高頻率來確定合適的帶寬，一般建議探頭的帶寬至少要達到被測信號最高頻率的兩倍以上，以保證測量精度。

但是我們不要忽略示波器與探頭在測試時可以看作一個系統(tǒng)，所以我們需要考慮系統(tǒng)帶寬問題，并且要同時考慮二者的帶寬影響。一般來說，為了充分利用示波器帶寬，在選擇探頭時，其帶寬最好大于等于示波器帶寬。而探頭帶寬并非越高越好，首先，探頭帶寬越高，成本就越高，其次，會引入更多的高頻噪聲，導致信噪比惡化，進而降低測量精度，因此我們選擇探頭時要根據(jù)實際應用選擇帶寬足夠而又不過高的探頭。

2.衰減系數(shù)

衰減系數(shù)表示探頭對輸入信號的衰減程度，常見的有 10:1、100:1 等。10:1 衰減系數(shù)的探頭會將輸入信號衰減為原來的十分之一后傳輸?shù)绞静ㄆ?。合適的衰減系數(shù)可以幫助將被測信號調(diào)整到示波器合適的測量范圍內(nèi)，同時也能在一定程度上提高測量的抗干擾能力。例如，當被測信號幅值較大時，使用較高衰減系數(shù)的探頭可以避免示波器輸入過載，確保示波器的安全和測量的準確性。當我們將探頭連接至示波器輸入通道，大多數(shù)情況下示波器會自動檢測連接探頭的衰減比，并將捕獲的信號幅度乘以衰減倍數(shù)，直接顯示原始信號值。

和帶寬一樣，衰減比也并非越大越好，因為示波器在將捕獲的信號幅度恢復成原始幅度時，示波器的底噪也會乘以衰減倍數(shù)而變大。而示波器的垂直靈敏度也會被探頭衰減比限置，如最小垂直靈敏度為1mV/div的示波器在插上10:1探頭后，其最小垂直靈敏度只能到10mV/div。在這種情況下，很難有效測量mV級別小信號，示波器無法對小信號進行充分放大并提高測量精度。因此，在測量小信號時，盡量選擇衰減比小的探頭，如1：1衰減比無源探頭，一般可用于測量較小的電源紋波。

3.輸入阻抗

在使用探頭測量信號時，探頭自身也成為了信號源的負載，它的阻抗也會成為原始電路中的一部分。輸入阻抗是指探頭在連接到被測電路時呈現(xiàn)給被測電路的總阻抗，它對被測電路的影響至關(guān)重要。理想情況下，探頭的輸入阻抗應盡可能高，以減小對被測電路的負載效應。一般來說，無源探頭的輸入阻抗主要包括電阻分量和電容分量。電阻分量通常在兆歐級，如常見的 1MΩ。電容分量則會影響信號的高頻特性。如果輸入阻抗過低，會從被測電路中吸取較大的電流，導致信號源的輸出電壓下降，測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。同時，電容分量還可能會與示波器輸入端和被測電路的電容相互作用，引起信號的高頻衰減和失真，所以在對高頻信號進行測量時，需要對探頭的輸入電容進行補償調(diào)節(jié)，使整個測量系統(tǒng)的頻率響應更加平坦，以獲得準確的測量結(jié)果。

04示波器無源探頭的使用方法

01 進行探頭補償調(diào)節(jié)

除了輸入電阻之外，所有示波器還具有特定的固有電容。此電容一般較低，通常為數(shù)十微微法拉。這不會給直流測量造成問題。這在交流測量中非常重要，因為隨著頻率增加，輸入電容開始起到低通濾波器的作用，而探頭補償用于將示波器的固有輸入電容與探頭尖端的電容相匹配，這將有效減少所測信號的幅度和脈沖波形誤差。

如果探頭未經(jīng)補償或補償不佳則會導致測量不準確，包括幅度不準確，以及波形失真，特別是信號的上升和下降邊沿失真；如前面所述，探頭補償主要是針對高頻交流成分進行補償，所以當信號頻率增加時，探頭補償不佳會導致的測量不準確性更大。

幾乎所有示波器都具有一般以 1000 Hz 頻率運行的內(nèi)置方波發(fā)生器。此發(fā)生器通常標為“Probe Comp.”，并且使用方波和接地符號表示。

圖表 5 Probe Comp.

1將探頭尖端連接至方波源，探頭接地線接地：

圖表 6 補償步驟1

2然后使用絕緣螺絲刀或工具調(diào)整電容，直到方波補償信號盡可能呈矩形：

圖表 7 補償步驟2

3補償信號的頂端基本呈水平時，表明探頭得到適當補償。過補償探頭會在信號的上升沿產(chǎn)生過沖，而欠補償探頭會在信號的上升沿產(chǎn)生下沖。

圖表 8 探頭補償示例

對于過補償或欠補償探頭，補償電容會進行調(diào)整直至波形具有良好的方形邊緣。通常這只需稍加轉(zhuǎn)動即可。

請注意，方波或矩形波具有高頻和低頻分量，因此可用于探頭補償。

應該在首次使用探頭或執(zhí)行重要測量之前補償探頭。由于不同示波器的輸入電容各異，因此將探頭用于不同的示波器時也需要進行補償。在同一示波器的不同端口之間移動探頭通常無需進行補償。但是，頻率信號越高，探頭補償越重要。

02 正確連接地線

在使用無源探頭之前，首先要確保地線連接正確。將探頭的地線夾牢固地夾在被測電路的接地位置上，盡量使地線夾靠近被測信號點，以減少地線的電感和電阻帶來的影響，降低測量誤差。同時，要檢查地線是否完好無損，避免因地線接觸不良導致信號不穩(wěn)定或測量結(jié)果不準確。

03 選擇合適的衰減系數(shù)

根據(jù)被測信號的幅值大小，選擇合適的衰減系數(shù)。如果信號幅值較大，可以使用較大衰減系數(shù)的探頭，如 100:1，這樣可以將信號衰減到示波器合適的測量范圍內(nèi)。如果信號幅值較小，則選擇較小衰減系數(shù)的探頭如 10:1，以保證信號在示波器上能夠清晰地顯示出來。在連接探頭到示波器后，一般情況下還需要在示波器上設置對應的探頭衰減系數(shù)，以便示波器能夠正確地對信號進行測量和顯示。

但是在某些情況下，示波器可以檢測出是 1x 還是 10x 探頭，并自動調(diào)整設置。這是因為許多 10x 探頭在示波器側(cè)都有一個金屬探針，如果金屬探針與示波器輸入端的感應環(huán)接觸，示波器即知道正在使用 10x 探頭。

部分探頭可以通過移動側(cè)邊上的開關(guān)以用作 1x 或 10x 探頭。此類探頭被稱為可切換探頭。使用可切換探頭時，如果未自動檢測到探頭衰減，確保相應調(diào)整示波器設置。

05示波器無源探頭的常見故障及解決方法

1信號失真

如果在測量過程中發(fā)現(xiàn)示波器顯示的信號波形失真，可能是由于探頭的帶寬不足、輸入電容未補償好或者探頭損壞等原因?qū)е碌?。首先可以檢查探頭的帶寬是否滿足被測信號的要求，如果帶寬不夠，需要更換更高帶寬的探頭。然后檢查探頭是否已經(jīng)進行了正確的補償調(diào)節(jié)，重新進行補償調(diào)節(jié)操作。如果經(jīng)過這些操作后信號仍然失真，可能需要檢查探頭內(nèi)部的電路是否損壞，如電阻、電容等元件是否出現(xiàn)故障，必要時可以更換探頭。

2信號衰減異常：

當發(fā)現(xiàn)示波器顯示的信號幅值明顯偏離實際預期值時，可能是探頭的衰減系數(shù)設置不正確或者探頭內(nèi)部的衰減網(wǎng)絡出現(xiàn)故障。首先要檢查示波器上設置的探頭衰減系數(shù)是否與實際使用的探頭衰減系數(shù)一致，如果不一致，需要進行相應的調(diào)整。如果設置正確，可以嘗試更換探頭或者檢查探頭內(nèi)部的電阻、電容等元件是否正常，以確定是否存在故障。

3探頭尖端損壞：

在使用過程中，如果探頭尖端受到撞擊、擠壓或者過度磨損，可能會導致尖端損壞。損壞的探頭尖端會影響與被測信號點的接觸質(zhì)量，從而導致信號不穩(wěn)定或者測量誤差增大。對于損壞的探頭尖端，應及時進行更換，以確保測量的準確性和可靠性。

總之，示波器無源探頭雖然看似簡單，但它是電子測量中不可或缺的重要工具。了解其工作原理、參數(shù)、正確使用方法以及常見故障處理，對于準確地進行電子電路信號測量和分析具有重要的意義，能夠幫助工程師和技術(shù)人員更好地開展電子設備的研發(fā)、調(diào)試和維護等工作。

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