示波器原理（一）
更新時間：2021-11-12 點擊次數：1652
示波器因為有探頭的存在而擴展了示波器的應用范圍，使得示波器可以在線測試和分析被測電子電路，如下圖：
其一：因為探頭有負載效應，探頭會直接影響被測信號和被測電路；其二：探頭是整個示波器測量系統的一部分，會直接影響儀器的信號保真度和測試結果
當探頭探測到被測電路后，探頭成為了被測電路的一部分。探頭的負載效應包括下面3部分：
1. 阻性負載效應；
2. 容性負載效應；
3. 感性負載效應。
電阻負載相當于一個并聯在被測電路上的電阻，它對被測信號有分壓的作用，并影響被測信號的幅度和直流偏置。有時，當增加探頭時，故障電路可能會變得正常。通常建議探頭的電阻R大于被測源電阻的10倍，以保持振幅誤差小于10%。
電容性負載相當于在被測電路上并聯的電容，對被測信號有濾波作用，影響被測信號的上升和下降時間，影響傳輸延時、傳輸互連信道的帶寬受到影響。有時，當增加探頭時，故障電路變得正常，并且這種電容效應起著關鍵作用。通常建議使用具有盡可能小的電容負載的探頭，以減少對測量信號邊緣的影響。
電感性負載來自探頭接地線的電感效應，它會與電容性負載和電阻性負載共振，從而使顯示信號振鈴。如果顯示的信號上有明顯的振鈴，有必要檢查它是被測信號的真實特征還是由接地線引起的振鈴。檢查和確認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：無源探頭和有源探頭兩大類。無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. 帶補償的高阻無源探頭（常用的無源探頭）；
3. 高壓探頭
有源探頭細分如下：
1. 單端有源探頭；
2. 差分探頭；
3. 電流探頭
低阻分壓探頭具有較低的電容負載 (<1pf) 、較高的帶寬 (>1.5GHz) 、較低的價格，但電阻負載非常大，一般只有500歐姆或1歐姆，因此，它只適用于測試低源阻抗的電路或只關注時間參數測試的電路。
帶補償的高阻無源探頭是常用的無源探頭，一般示波器的標準探頭就是這種探頭。帶補償的高阻無源探頭具有高輸入電阻 (一般在1Mohm以上) 和可調補償電容，以匹配示波器的輸入并具有高動態范圍，它可以測試相對較大的信號 (幾十幅以上)，而且價格也很低。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)。
帶補償的高電阻無源探頭具有補償電容器。連接示波器時，通常需要調整電容值 (調整時需要使用探頭提供的小螺絲刀進行調整，將探頭連接到示波器補償輸出測試位置) 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，有高頻或低頻增益。調整后的補償信號顯示波形如下圖右側所示。
高壓探頭是帶補償的無源探頭的基礎上，增大輸入電阻，使得衰減加大（如：100:1或1000:1等)。因為需要使用耐高壓的元器件，所以高壓探頭一般物理尺寸較大。
讓我們看一下使用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測試了1ns上升時間步長信號的影響。脈沖發生器用于產生1ns步進信號。經過測試夾具，SMA電纜直接連接到示波器1.5GHz帶寬，這樣波形 (藍色信號下圖) 將顯示在示波器上并作為參考波形存儲。然后，使用探針點測量測試夾具檢測被測信號。由于探針負載的影響，通過SMA直接連接的波形變為黃色。探測通道顯示綠色波形。然后，分別測試上升時間，可以看到無源探頭和有源探頭對高速信號的影響。
圖10無源探頭和有源探頭對被測信號和測量結果的影響
使用1165A 600MHz無源探頭，使用鱷魚嘴接地線: 受探頭負載影響，上升時間變為: 1.9ns; 探頭通道顯示的波形振鈴，上升時間為: 1.85ns;
使用1156A 1.5GHz有源探頭，使用5cm接地線: 受探頭負載影響較小，上升時間靜止: 1ns; 探頭通道顯示的波形與原始信號一致，上升時間靜止: 1ns。
單端有源探頭結構圖如下，利用放大器實現阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗相對較高 (一般大于100Kohm)，而輸入電容相對較小 (一般小于1pf)。它通過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 (現在可以達到30GHz)，而負載小，但價格相對較高 (通常，每個探頭達到相同帶寬示波器價格的10% 左右)，動態范圍小 (注意這一點，因為超過探頭動態范圍的信號無法正確測試。通常，動態范圍約為5V)，這相對脆弱。使用時要小心。差分探頭結構圖如下，利用差分放大器實現阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗相對較高 (一般在50kohm以上)，而輸入電容相對較小 (一般小于1pf)。它通過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 (現在高達30GHz) 、非常小的負載和高共模抑制比，然而，價格相對較高 (通常，每個探頭達到相同帶寬示波器價格的10% 左右)，動態范圍也很小(這需要注意，因為超過探頭動態范圍的信號無法正確測試。通常，動態范圍約為3V)，這相對脆弱。使用時要小心。
差分探頭適用于測試高速差分信號 (測試時不需要接地) 、放大器測試、電源測試、虛擬接地測試等應用。
電流探頭也是有源探頭，利用霍爾傳感器和感應線圈測量直流和交流電流。電流探頭將電流信號轉換為電壓信號，示波器收集電壓信號并將其顯示為電流信號。電流探頭可以測試從幾十毫安到幾百安培的電流，并且使用時需要抽出電流線 (電流探頭是將導線夾在中間進行測試，這不會影響被測試電路)。
當電流鉗閉合且中心封閉有電流的導體時，將出現磁場作為響應。這些磁場使霍爾傳感器內的電子偏轉，并在霍爾傳感器的輸出端產生電動勢。電流探頭根據這種電動勢，產生反向 (補償) 電流并送至電流探頭的線圈，使電流中的磁場夾緊為零，以防止飽和。電流探頭根據逆流測量實際電流值。用這種方法，可以非常線性地測量大電流，包括交流/直流混合電流。
隨著測量電流頻率的增加，霍爾效應逐漸減弱。當測量沒有直流分量的高頻交流電流時，它們中的大多數通過磁場的強度直接感應到電流探頭線圈。此時，探頭就像一個電流互感器。電流探頭直接測量感應電流而不是補償電流。功率放大器的輸出為線圈提供低阻抗接地回路。
當電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區域時，部分測量是通過霍爾傳感器實現的，另一部分是通過線圈實現的。
