示波器探头基础
示波器探头基础知识
示波器探头基础知识示波器探头原理---示波器探头工作原理示波器探头不仅仅是把测试信号判定以示波器输入端的一段导线，而且是测量系统的重要组成部分。
探头有很多种类型号各有其特性，以适应各种不同的专门工作的需要，其中一类称为有源探头，探头内包含有源电子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件如电阻和电容。
这种探头通常对输入信号进行衰减。
我们将首先集中讨论通用无源探头，说明共主要技术指标以及探头对被测电路和被测信号的影响，接着简单介绍几种专用探头及其附近。
屏蔽示波器探头的一个重要任务是确保只有希望观测的信号才在示波器上出现，如果我们仅仅使用一普通导线来代替探头，那么它的作用就好象是一根天线，可以从无线电台、荧光灯，电机、50或60Hz的电源的交流声甚至当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号，这类噪声甚至还能注入到被测电路中去所以我们首先需要的是屏蔽的电缆，示波器探头的屏蔽电缆通过探头尖端的接地线和被测电路连接，从而保证了很好的屏蔽。
一．探头构造图：4. 一个探头，就算它只是简单的一条电线，它也可能是一个很复杂的电路。
a）对于DC 信号( 0 Hz 频率)，探头作为一对导线与一系列电阻，就向一个终端电阻一样。
b) AC 信号的特性变化是因为：电线具有分布电感(L)，电线具有分布电容(C)。
分布电感反作用于AC信号，在信号频率增加时，阻止AC信号通过。
分布电容反作用于AC信号，在信号频率增加时，减小 AC信号电流通过的阻抗。
这些反作用元件(L 和 C )的交互作用，与电阻元件(R)一起，成为随信号频率不同而变化的探头阻抗。
示波器选型（探头技术指标参数的意义）自从示波器问世以来，它一直是最重要，最常见的电子测试仪器之一，由于电子技术的发展，示波器的功能在不断上升完善，其它性能和价格也是五花八门主，其探头也是从单一到复杂。
一。
频宽和示波器一们，探头也具有其允许的有限带宽。
示波器探头入门
1-1 中加以说明，探头在此测量图中作为一个未定义的方框而被指明。
探头事实上无论它是什么，它必须在信号源和示波器输入之间提供足够便利的和高质量的连接(图 1-2 )。
适当的连接有3个关键性的定义问题-物理连接，对电路运行的影响，及信号的传送。
图1-1. 探头是在示波器和测试点之间进行物理和电路连接的设备。
图1-2. 大多数探头由一个探头尖，一根探头电缆线，及一个补偿盒或其它类型的信号调节网络组成。
1理想的探头在理想世界中，理想的探头将提供下列关键的属性：连接简单和便利绝对的信号保真度零信号源极负载完全的噪音抗扰性连接简易和便利。
一个连接到测试点的物理连接已经作为探测的关键要求之一被论及。
使用理想的探头，你应该能够使物理连接简单及便利。
对于小型化电路，如高密度的表面装配技术( SMT ) 电路，微型探头及多种类的为SMT设备设计的探头尖适配器，能够使连接简易及便利。
图 1-3a所示，为这样的一个探头系统。
然而，这些探头，对于具有高电压和普通标准导线的工业功率电路而言，是太小了。
对于功率应用，需要应用更大尺寸的具有更多边缘保护的探头。
图1-3b和表1-3c是此类探头的例子。
图1-3b是一根高电压探头，图1-3c是一个通用探头上的夹具。
从这几个物理连接的例子可以看出，对于所有的应用来说，没有唯一的理想的探头尺寸及外形结构，因此，我们设计了各种各样尺寸外形及结构的探头，从而满足各种各样的应用和物理连接的要求。
绝对信号保真度。
理想的探头应该忠实地将信号从探头尖传送到示波器输入端。
换句话说，探头尖处的原有信号应当被忠实地复制到示波器输入端。
a. 探测 SMT 设备。
b. 高电压探头。
c. 通用探头上的夹具。
图1-3 多种多样的探头可应用于不同的技术应用及测量需求之中。
2图 1-5 . 探头和示波器设计为在规定的带宽范围上进行测量。
超越了 3 dB 点的频率，信号振幅极度削弱，测量结果是无法预知的。
图 1-4 .探头是由分布式的阻抗、感抗、电容组成。
示波器及探头使用
示波器及探头使用公司目前使用的示波器以数字示波器为主，分为两类，一类是福禄克（FLUKE）数字示波器，另一类是泰克（Tektronix ）,另外还有一台建伍（KENWO0D）模拟示波器。
示波器在生产和研发中都是非常重要的一种仪器，而且也是非常昂贵的一种仪器，所以正确使用示波器不仅能提高工作效率，也能减小对示波器的不合理损耗。
一、示波器基础知识♦什么叫示波器？示波器本质上是一种图形显示设备，它描绘电信号的图形曲线。
在大多数应用中，呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程：垂直（Y）轴表示电压，水平（X）轴表示时间。
有时称亮度为Z轴。
这一简单的图形能够说明信号的许多特性，例如：信号的时间和电压值振荡信号的频率信号所代表电路的“变化部分” 信号的特定部分相对于其他部分的发生频率是否存在故障部件使信号产生失真信号的直流值（DC）和交流值（AC）信号的噪声值和噪声是否随时间变化。
♦波形测量频率和周期不断重复的信号具有频率特性。
频率的单位是赫兹（Hz）,表示一秒时间内信号重复的次数。
成为周期每秒。
重复信号也具有周期特性，即信号完成一个循环所需要的时间量。
周期和频率互为倒数关系，即1/ 周期等于频率，同理1/ 频率等于周期。
电压电压是电路两点间的电势能或信号强度。
有时把地线或零电压作为参考点。
如果测量的是波形从最高峰值到最低峰值的电压值，则称为电压的峰值- 峰值。
幅度幅度是指电路两点间电压量。
幅度通常指被测信号以地或零电压为参考时的最大电压。
其他有些示波器还提供了测量相位、占空比、延时、上升时间等的功能。
♦示波器的分类模拟示波器本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。
示波器屏幕通常是阴极射线管（CRT。
电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。
当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。
在屏幕同一位置电子束投射频度越大，显示得也越亮。
示波器探头的基本知识
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P&C SBG Peripherals SBU
Leabharlann 第三, 信號源的幅度(最大,最小值) 信號源的幅度考慮也非常重要, 用很大量程的探 頭來測試小信號,一是精確度 的考慮,二是大才小用, 如果信號源的幅度很大,超 過了探頭的承受能力,就會 損壞探頭. 第四 物理連接考慮因素 1.方便連接 2.安全方面考慮 3.連接線太長會引入干擾
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P&C SBG Peripherals SBU
7.CMRR(共模抑制比): 這個參數是指差分探頭的一個最重 要的指標. CMRR會隨頻率的提高而下降. CMRR=Ad(差分信號電壓增益)/Ac(共模信號電壓增益)
8. 傳播延遲: 傳播延遲是探頭器件及信號通過這些器件從 探針傳送到示波器連器所需要時間的函數.通常情況傳播延 遲是由於探頭的電纜導致的.
P&C SBG Peripherals SBU
3)該探頭的量程是 DC15A current 和 50A peak pulse current. 這個量程在我們的測試中很容易突破,所以需要非 常小心.用該探頭測試輸入電流時,一般在正常工作時其電流 是不會超過15A的,但在開機的瞬間,inrush current會遠遠 高于50A, 達到200多A,甚至超過300A. 所以在做這樣的測 試時需要先將探頭取下,待電源工作穩定以後再加入探頭.
P&C SBG Peripherals SBU
2)無源探頭的地線是同示波器的大地連接在一起的. 示 波器廠商設計該類探頭就只是用于測試以大地為參考點 的信號,不能測試電源一次側的信號.雖然我們的示波器 都是把地線剪掉了的,這就相當于示波器變成了一個浮 地的設備,變得可以測試一次側的信號,但是從準確性,安 全性方面來說都是欠妥的.在我們部門出現過用10X電 壓探棒測試二次側電壓跟100X電壓探棒測試輸入AC電 壓,結果把100X電壓探棒的接地線瞬間燒斷的事故.如果 需要同時監測一次,二次側的信號的情況,一次側請用差 分探棒. 3)探頭在使用的過程中要注意輕拿輕放,因為10X探棒的 接地線比較細,非常容易折斷.
示波器基础-探头ABC_002
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2-2.
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2-8
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用了这么长时间示波器 你可曾了解示波器探头
用了这么长时间示波器你可曾了解示波器探头
想要将示波器发挥到最大的作用，我们更了解示波器是非常重要的。
下面讲解一下示波器探头的一些知识。
示波器探头：
通常按测量对象来分，有电压探头和电流探头两种。
电压探头包括无源探头和有源探头，无源探头里有1X、10X、100X和1000X的，最高可以测得40KV的高压;有源探头主要是包括普通有源探头和有源指差分探头，对于有源探头，最大的安全电压限制经常是几十伏。
为了避免个人安全上的危险及潜在的损坏探头的危险，知道被测量的电压范围及需要使用的探头的电压限制，是非常有必要的。
有源差分探头帮助你观察差分信号。
差分信号是信号间的彼此参考，而非对地参考。
当使用相匹配的单端探头对时，差分探头具有更高的性能，提供高的CMRR，宽带宽，以及最小的输入信号间的时间差异。
高带宽差分探头提供极佳的信号保真度，能够满足工程技术人员在快速时钟速率和时钟沿速率下设计和调试的需要。
电流探头包括交流探头和交直流探头，即AC电流探头和AC/DC电流探头，AC电流探头通常是无源探头，AC/DC电流探头通常是有源探头。
关于示波器的一些问题：
1. 示波器高压探头用途是什幺?
a、示波器本身是电子测量仪器，只能接受较低的电压输入。
示波器高压探头的作用是将高电压变换为低电压供示波器测量分析用。
b、示波器高压探头一般采用差分探头。
其输出差模电压很小，但是共模电压仍然很高，测量时，需注意操作者及示波器与大地绝缘。
示波器探头基础知识培训
TekProbeTM 探头接口
TekProbeTM 探头接口
基于BNC的探头接口形式 泰克在80年代中期发明 提供有源探头的供电 提供探头倍率的自动识别 提供探头类型的自动识别 提供工程单位的显示 理论上最好的BNC系统的带宽是4GHz
C2 = low frequency compensation. Scope input C varies.
系统的带宽
系统的上升时间 tr(10%~90%) tr(System)=√tr(scope)2+tr(probe)2
系统的带宽
BW(-3dB)
1
BW(SYSTEM)=
√(1
)2 + ( 1
f0 =
1
2 p (RC||RP)(CC+CP)
NOTE: Vcc is an AC Ground
探头对被测点的影响
例如：Rc＝10K Re＝10 Cc= 100pF
Rp＝1M Cp=20pF
原电路增益和截止频率： 增益＝ 1000 截止频率 ＝ 1/2 *p*10k *100pF=160KHz
等效阻抗
标准附件
与各种电路连接的附件
探头附件
泰克的无源探头家族
1X无源探头 － P6101B 通用无源探头－10X，1 MΩ 输入阻抗
P3010 • P6103B • P6109B • P6111B • P6112 • P6114B • P6117 高性能无源探头－ 10X读出，10 MΩ 输入阻抗
探测小尺寸电路
当今的小 尺寸/表面 贴封电路 已经非常 普及
各种探头附件应 对小尺寸电路
各种探头附件应对小尺寸电路
无源探头选型考虑的因素
有关示波器探头的使用介绍
有关示波器探头的使用介绍什么是示波器探头示波器探头是一种用于测量电子设备和电路的工具。
它可以将电路上的信号引出，放大并转化为示波器可读取的信号。
使用示波器探头可以非常方便地查看电路中的电压、电流和频率等参数，为工程师的电路设计和故障排查提供了关键性的帮助。
示波器探头的种类被动探头被动探头是最常见的示波器探头，由一个尖锐的金属探针和一条导线组成。
被动探头的工作原理是通过探针接触电路上的信号点，将信号引入示波器中。
由于被动探头没有功率放大功能，因此它不会对电路的电性能造成负面影响。
被动探头适用于大多数普通的测量工作，其带宽范围通常在100MHz以下，可以满足大多数基本电路设计和维护所需的测量需求。
高阻探头高阻探头是一种比较特殊的示波器探头，通常用于测量高电阻的电路。
它采用了高阻电路设计，可以确保在测量高电阻电路时不会对电路产生负面影响。
高阻探头的带宽范围通常在几十MHz以下，适用于需要测量高电阻电路的测量工作。
差分探头差分探头适用于测量差分信号，它由两个探针组成，能够同时测量两个信号并将其相减。
差分探头采用了特殊的设计以便保持双向电路的平衡，同时消除来自电源线和环境干扰产生的噪音。
差分探头主要用于测量信号源之间的差异，特别适用于对高精度、低噪声的测量需求。
当前探头当前探头适用于测量电路中的电流，通常由夹子和测量头两部分组成。
电流探头通过夹住电路中的线圈来测量电流。
当前探头通常用于测量高电流电路中的电流，其带宽通常在几十MHz以下，但它的测量精度非常高。
示波器探头的使用技巧示波器探头在使用过程中需要注意一些技巧，以确保测量结果的准确性：1.确保探头正确接地。
示波器的地线一定要接到被测电路的地线上才能进行准确的测量。
2.确认探头接触点。
要确保探头与被测点接触良好，避免探针和接触点之间出现接触干扰。
3.确认测量范围。
在测量之前，要确定要测量的电压范围和频率范围，选择合适的探头才能够测量出精确的结果。
4.选择合适的探头。
示波器-探头图解使用方法
3.3.1 触发调节的作用
波形不稳定，轻则波形或向左 或向右移动不止，重则多个波 形交织重叠在一起
波形稳 定，静 止清晰
返回
32
3.3.2 触发源选择
触发源 选择菜 单
用屏幕菜单 键选择触发 源
按触发菜单
键调出触发 菜单
33
3.3.2 触发源选择
▪ 触发源选择原则
➢单路测试时，触发源必须与被测信号所在通道 一致，例如，Y通道CH1测试时触发源必须选 CH1，否则波形将不稳定。
数字示波器首先将被测信号抽样和量化，变 为二进制信号存贮起来，再从存贮器中取出信号 的离散值，通过算法将离散的被测信号以连续的 形式在屏幕上显示出来。
返回
5
2.1 面板介绍 2.2 屏幕刻度和标注
2.示波器面板介绍
返回
6
2.1 示波器面板介绍
电源开关：控制校示准波信器号电：提供1KHZ 3V
源的通断 的基准信号，用于示波器
9
2.1 示波器面板介绍
辅助测量操设作置方式：控提制供：显提示供方“式自、动测调量整方”和“显
式、光标示方静式止、”采两样种频选率择、应用方式等
选择
10
2.1 示波器面板介绍
屏幕 菜单 选择
测量 辅助 设置
辅助 操作
稳定 触发
校
电源 开关
屏幕
Y轴 调整
输入 插座
扫描 调整
准 信 号11
2.1 示波器面板介绍
数字示波器操作
3
1. 基本功能与种类
1.1 示波器基本功能 将电信号转换为可以观察的视觉图形，
以便人们观测。 若利用传感器将各种物理参数转换为电信
号后，可利用示波器观测各种物理参数的数量 和变化。.
示波器探头知识
示波器被誉为“电子工程师的眼睛”，作为示波器不可缺少的组成部分，示波器探头的参数直接影响到测试结果的准确性及正确性，因此，能否正确选取合适的示波器探头直接关系到测试工作的成败，作为一名电子工程师，我们必须知道各种示波器探头的特点、原理及适用场合。
示波器探头的种类有很多，大体上可以分为电压、电流、逻辑等几大类，如下图所示：♦电压探头理想中的电压探头没有负载效应，不会对测量造成任何影响，同时对信号没有任何失真。
理想探头具备如下特征：1).输入电阻无限大；2).输入电容为0；3).带宽无限大；4).动态范围无线大；5).1:1衰减；6).无延迟；7).无相位偏移；8).机械结构适合测量应用。
在实际中，这种理想探头是不存在的。
为了说明探头对测量的影响，我们可以把探头模型简单等效为一个R、L、C电路，把这个模型与被测电路放在一起，如下图所示：如上图所示，Rprobe是探头的输入电阻，为了尽可能减少探头对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe越大越好，但是Rprobe是不可能做到无穷大的，所以就会和被测电路产生分压，使得实测电压比实际电压小。
为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。
大部分探头的输入阻抗在几十K欧姆到几十兆欧姆之间。
Cprobe是探头本身的输入电容。
这个电容不是刻意做进去的，而是探头的寄生电容。
这个寄生电容也是影响探头带宽的最重要因素，因为这个电容会衰减高频成分，把信号的上升沿变缓。
通常高带宽的探头寄生电容都比较小。
理想情况下Cprobe 应该为0，但是实际做不到。
一般无源探头的输入电容在10pf 至几百pf 间，带宽高些的有源探头输入电容一般在0.2pf 至几pf 间。
Lprobe是探头导线的寄生电感，通常1mm 探头的地线会有大约1nH 的电感，信号和地线越长，电感值越大。
探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路，当电感值太大时，在输入信号的激励下就有可能产生高频谐振，造成信号的失真。
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Application Engineer : 邓启华 QiHua.deng@
x p
示波器探头技术及应用
示波器 探头 DUT
x p
探头的类型
探头
Voltage
Passive
Logic
Current
Active
Temperature Optica
x p
有源探头
探头 C1 C2 CABLE R1 GROUND BUFFER AMP R2 仪器
R3
高输入阻抗缓冲放大器置于探头前端用于驱动传输线.
x p
Advantages
有源探头
– Low Input Capacitance – Wide Bandwidth – High Input R – Compatibility with 50 or 1 M Systems – No Compensation Necessary
探头输入阻抗
100M 10M 1M 100k 10k 1k 100 10 1 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G
1X Passive 100 pF/1 M Z0 0.15 pF/500 Active 0.4 pF/100 k 10X Passive 11 pF/10 M
x p
小信号 (< 10 mv)
不是真正的地 在地线上噪声远大于信号
x p
1:1有源探头 (Length of Cable)
?6 feet PROBE TIP GROUND PROBE CABLE 8 - 10 pF/ft* ?1.5 ns/ft 1 M SCOPE 20 pF
Advantages:
– 1X (No Attenuation) – Inexpensive
.5 Equivalent Gates
x p
其他问题
补偿 系统的带宽 幅度的精度与频率的关系 接地 结构
x p
Model of Typical High Z 10X Passive Probe
C1 8 pF to 12 pF CABLE SCOPE C3 20 pF R3 1 M
R1 GROUND
+ -
电池供电
寄生电容
V-
大地
x p
方法四:差分探头
V+
C E
+
G
-
to Scope
V-
x p
隔离器与差分探头比较
源的阻抗
– B very low – A high
B A +350 Volts
将隔离探头联接到A端,可能危 及被测端.
Output
- 350 Volts
x p
隔离器与差分探头比较
frequency
x p
等效负载
CMOS Drive 25 pF Load 3.0 pF per 30 gate Equivalent
1X Passive 10X Passive Z0 Passive Active
Gates
3.5 Equivalent Gates
.25 Equivalent Gates
x p
10:1高阻无源探头
C1 8 pF to 12 pF CABLE 500 7-50 pF SCOPE C3 20 pF R3 1 M
R1 GROUND
9 M
R2 C2
电缆衰减引起的反射. R2C2 + SCOPE 对电缆来说不是理想的终端. C2 = 低频补偿----示波器的输入电容的变化. (Impedance probes, C2 is adjustable. In others, C1 is adjustable.)
x p
接地线效应
使用10X无源探头，输入电容10pF，6“接地线 振铃幅度＝50％ 误差 1 典型的振铃频率＝ 2π√ LC =50~70Mhz OR 上升时间=7~5ns
x p
接地线效应
Coaxial Cable
BNC Probe Adapter
1?Ground Adapter
3?Low Z Ground Lead
x p
差分探头
x p
所有测量是差分
Consider the Digital Multi-Meter:
x p
特殊的情况:示波器测量
传统的示波器探头: Differential measurement where one input is ground
x p
TDS 784A
p
p
x p
单端探头在什么情况下会有问题?
x p
低阻匹配探头
450 CABLE 50 0.5 pF SCOPE 由于电缆被它的特性阻抗终端, 输入端可看成50 , no L or C. 不需要补偿 0.5 pF 电容是一个加速电容用于补偿电缆的集肤效应 (skin-effect).
GROUND
x p
低阻匹配探头 Advantages/Disadvantages
10X Passive 100 MHZ 500 MHZ Probe Z0 Passive Probe Active Probe 3 GHZ 9 GHZ 750 MHZ 4 GHZ
3.5 ns - 8 pF 13 pF 700 ps
120 ps - 0.15 pF - 500 1 pF 40 ps 4.6 ns - 0.4 pF 2 pF 100 ps 100 k 10 M x p
λ Advantages
- Low Input C - Wide Bandwidth - Compatible with 50 Systems and 1 M with Termination Resistor - No Compensation Necessary
λ Disadvantages
- Low Input R - Must be Terminated into 50
参考点不是地
– Floating measurements – Balanced Signals
由于引入了交流地回路,以地作为测量参考会有问题
– Low Amplitude – High Bandwidth
x p
浮动测量
x p
TDS 784A
p
p
+350 Volts A
?
B Output
- 350 Volts
x p
10:1高阻无源探头
Advantages
– High Input R – Wide Dynamic Range – Inexpensive – Mechanically Rugged – Low Input C vs 1X Probe
Disadvantages
– High Input C – Not Compatible with 50 ?Systems – Must be Compensated
x p
不要悬浮示波器!
不要断开示波器的电源地线! – 非常的危险 – 得到一个错误的测量 – 可能危及到示波器 – 过分的容性负载可能危及到被测系统 – 有安全的变通办法!
x p
方法二:探头隔离
V+
变压器或光 隔离
ห้องสมุดไป่ตู้
C E
SCOPE G
+ -
寄生电容
V-
大地
x p
方法三:隔离示波器
V+
C E
G
Disadvantages:
– Terminated – Very Low Input R λ Unterminated
- Very High Reflections - Very High Input C - Low Bandwidth
* Typical 50 ?cable has about 30 pF/ft of capacitance
x p
探头对被测点的影响
Vcc
– Without probe Gain = - RC RE
Cc
Rc PROBE
f0 =
1 2 π RCCC
– With probe
VIN
RP RE
CP
Gain = -(RC||RP) RE f0 = 1 2 π (RC||RP)(CC+CP) NOTE: Vcc is an AC Ground
系统的带宽
BW(-3dB) BW(SYSTEM)= 1
√
(
1
BW(scope)
)2 + (
1
BW(scope)
)2
x p
接地线效应
Vsource
RIN 10 M GROUND LEAD L CIN (approx. 11 pF)
在实际的测量中,测量性能常常由探头的接地线来定,而不 是探头和仪器的带宽或输入阻抗.
x p
探头补偿
COMPENSATED 过补偿 欠补偿
1 ms/div
1 ms/div
1 ms/div
1 s/div
1 s/div
1 s/div
50 kHz
50 kHz
50 kHz
x p
系统的带宽
系统的上升时间 tr(10%~90%) tr(System)=√tr(scope)2+tr(probe)2
6?Ground Lead
The signal source is a 1ns rise time source.
No Ground Lead step from a 50
x p
探头传输延迟
4~8ns的延迟
–对不同类型的探头.
同类探头一般的延迟<200ps.