示波器探头浅谈 示波器工作原理

一个理想的探头应当易于连接，具有可靠而安全的触点、不会降低其传输信号的质量或者造成失真、具有线性的相位行为、无衰减、具有无限的带宽、高的抗噪性能以及不会成为信号源的负载。然而，实际上所有这些属性均不可能*实现，而且某些情况下离所要求的测量情况还会有很大的差距。实际应用中，需要测量的信号往往难以获取，其阻抗变化可能非常大，整体设置对噪声非常敏感而且依赖于频率，带宽有限，而且信号传播的差异会在多个测量通道之间引起轻微的时间偏差（相位和时间偏差）。幸运的是，示波器制造商竭尽全力将与探头相关的影响降至*低，使其能够更容易连接到电路，而且性能更可靠。比如，一只手拿着探头而另一只手操作示波器的方式是很难做到的。因此，R&S RTO系列示波器的有源探头让用户能够利用探头上的一个按钮来控制示波器功能，而且包含许多功能的控制。该测量仪器上还具备一个称为R&S ProbeMeter的集成电压计，可以进行比传统示波器通道更为准确的DC测量。电压探头以及AC或者AC/DC电流探头是两款基本的探头类型。但是还存在许多专为具体测量任务而设计的其它探头，包括设计用于数字电路逻辑状态故障排解的逻辑探头。环境探头设计为可以在广泛的温度范围下工作，而温度探头可以用来测量组件的温度，并且可以用在很可能出现高温的电路中。另外还有设计用于晶片级探测站中的探头，以及将光信号转换为电信号的光学探头，使得能够在示波器上查看光学信号，某些特定的探头还可用于测量高电压。示波器探头分类无源探头无源探头是*简单而且价格*的探头类型，可以提供大部分必需的测量功能。无源探头本质上由电线和接头所构成，而当需要衰减时，还会具备电阻和电容。无源探头中不存在有源组件，所以无需示波器提供电源也能进行工作，本质上非常耐用。1X（“单倍”）探头是指探头具有与示波器相同的动态范围，而衰减探头则是通过将信号电平衰减 10 倍、100 倍甚至更高的倍数，从而扩展仪器的测量范围。*为通用的探头是 10X 类型的探头，因为它所造成的负载效应很低，而且提供更大的电压测量范围。10X 探头是许多仪器的典型“标配”探头。连接至示波器 1M欧姆输入端的 1X 无源高阻抗探头具有很高的灵敏度（小衰减），而将 10:1 的无源高阻抗探头连接到示波器的 1M 欧姆输入端时，可以提供比 1X 探头更宽广的动态范围、更高的输入阻抗以及更低的电容。将 10:1 无源低阻抗探头连接至示波器的 50 欧姆输入端时，其阻抗几乎不随频率变化而变化，但由于其标称阻抗为 500 欧姆，因此会成为信号源的一个明显负载。当信号幅值相当低时，便需要采用1X探头；但对于中低幅值成分混合的信号，采用1X/10X衰减比可调探头则更为方便。无源探头的典型带宽范围为小于100 MHz ~ 500 MHz。对于50欧姆环境中所遇到的高速（高频）信号，需要采用50欧姆的探头，其带宽可达数千兆赫兹，上升时间可达100 ps甚至更快。无源探头中包含一个低频调整控件，在探头连接至示波器时使用。低频补偿用于使探头的电容与示波器输入端的电容相匹配。高频调整控件仅适用于50 MHz以上的工作频率。特定供应商用于更高频率的无源探头会在出厂前完成调整，所以仅须执行低频调整。而有源探头则无须执行这些类型的调整，因为它们的属性和补偿均在出厂前便已确定。有源探头

有源探头的优点包括对信号源的负载很低，探头尖端具有可调的直流偏置（对直流电平上叠加的交流信号具有高分辨率），以及能够被示波器自动识别，无须手动调节。有源探头具有单端型及差分型两种类型。有源探头采用了诸如场效应晶体管等有源元件，其输入电容非常低，对于在大频率范围内保持高输入阻抗来说很有好处。它们还可以用来测量阻抗未知的电路，并且允许使用更长的接地线。由于有源探头的负载极低，所以当连接至高阻抗电路时（无源探头的负载相对来说过大），有源探头是必不可少的。然而，有源探头中的集成缓冲放大器只能在有限的电压范围内工作，而有源探头的阻抗取决于信号的频率。此外，虽然有源探头可以用来处理上千伏特的电压，但其毕竟是有源器件，机械可靠程度比不上无源探头。差分探头

尽管可以对各个信号采用单独的探头进行探测并测量出差分信号，但*方法仍然是采用差分探头。差分探头利用内置的差分放大器对两个信号进行相减，因此仅占用一个示波器通道，而且还能在比单端型探头更宽广的频率范围内提供足够高的 CMRR（共模抑制比）性能。差分探头可以使用在单端和差分应用中。电流探头

电流探头通过测量电流流经导体时所产生的电磁通量场来测量电流。然后，电磁通量场会被转换成为对应的电压，以供示波器进行测量和分析。当示波器的测量与数学功能结合使用时，电流探头让用户能够执行各种各样的功率测量。高压探头

常规用途的无源探头*大适用电压一般在 400V 左右。当电路中遇到比如 20 kV 的高电压时，需要利用专门的探头才能进行安全测量。很明显，在对如此之高的电压进行测量时，安全是首要考虑因素，而这种类型的探头通常会利用十分长的线缆长度来适应高电压。探头的注意事项电路负载

探头附加到电路上*基本以及*重要的特征便是负载，而这种负载有阻性、容性和感性负载之分。阻性负载会造成幅值衰减和直流漂移偏置，并且会改变电路的偏压。如果探头的输入电阻与所探测的信号电阻相同的话，那么阻性负载就会变得非常大，因为电路中的一部分电流会流入探头。这样反过来会降低电路与探针接触位置的电压。实际上，这可能使得本来出现故障的电路正常工作，但更多情况下会导致电路的工作出现错误。为了降低电阻负载所造成的影响，一般会采用探头阻值高于被测电路阻值 10 倍以上的探头进行测量。电容负载会降低信号的上升速度，降低带宽，以及增加传输延迟，电容负载是由探头尖端的电容所引起的。它引入了频率的测量误差，而且是进行延迟和上升时间测量时的*大影响因素。电容负载是由于探头中的电容所引起的，在高频中表现为一个高通滤波器，从而使得高频信息经地线流走，显著地降低了探头在高频情况下的输入阻抗。因此，需要采用尖端电容较小的探头。感性负载也会导致测量信号失真，它是由探头尖端至探头接地导线之间的环形部分的电感所引起的。地线中的感性负载连同探头尖端的电容所引起的信号振荡可以通过有效的接地而得到减轻，这样可以提高振荡频率使其超出仪器的带宽。接地导线的长度应尽可能地短，才能减少回路的长度，从而将电感降至*低。较低的电感可以将被测波形顶部的振荡降至*低。接地当使用示波器进行测量时，为了获得准确的结果以及保证操作员的安全（尤其是在处理高电压的时候），务必采取正确的接地。仪器必须通过电源线接地，并且切勿在“保护接地”断开的情况下进行操作。当被测设备的信号地通过另一个位置的电源接地而引起接地回路时，这将会导致出现不必要的低频嗡嗡声。常见的处理方式是将信号地与电源地隔离开来，然后在靠近信号针脚的位置与信号地建立连接。探头选择流程选择合适（电压）的探头有两个*具决定性的因素在不失真情况下捕捉波形所需的带宽，以及将电路负载降至*低所需的*小阻抗。规定的示波器带宽仅适用于 50 欧姆的输入阻抗以及有限的输入电压范围。为了保持谐波和波形的完整性，仪器的带宽必须至少是被测的*高脉冲频率的五倍。对于交流测量来说，所规定的直流阻抗的数值是很小的。随着频率增大，阻抗会变小，而无源探头阻抗变小的程度*为明显。尝试将输入阻抗保持为*高信号频率时信号源阻抗的10倍，有源探头和无源探头之间可以很容易进行选择。这样能够将选择范围缩小至仅有一个或者两个与测量设置要求*为吻合的探头型号。对于微波波段的示波器带宽，肯定是有源探头具有*大优势。请谨记，10x无源探头的低频阻抗是*高的，而且无源探头一般不会引起直流偏置或者引入噪声。而有源探头可以在数千赫兹的频率下提供恒定阻抗，而且在数百兆赫兹的频率下具有*高阻抗。低阻抗探头可以在高达1 GHz的频率下提供恒定阻抗，尽管能够在某一频率下保持令人满意的恒定阻抗，但较低的阻抗能够避免谐波信号出现失真。简言之，在信号频率成分高于100 MHz的场合中建议使用有源探头，而且低的输入阻抗会导致较高的谐振频率。与有源探头之间的连接应尽可能短，以确保提供可用的高带宽。此外，如果接地电平不稳定，便需要使用差分探头。对于无源探头，重要的一点是采用特定仪器所建议使用的探头型号，即便该探头的带宽规范高于使用需要。低输入电容会导致较高谐振频率。接地导线应尽可能地短，以降低地线的电感。测量陡峭上升沿时间的时候必须小心谨慎，因为谐振频率会远远低于系统带宽。探头的阻抗应大约为电路测量点阻抗的十倍，才不致于向电路引入太大的负载。 示波器的基本结构

　　示波器的主要部分有示波管、带衰减器的Y轴放大器、带衰减器的X轴放大器、扫描发生器（锯齿波发生器）、触发同步和电源等，其结构方框图如图1所示。为了适应各种测量的要求，示波器的电路组成是多样而复杂的，这里仅就主要部分加以介绍

　　一、示波管　　如上图所示，示波管主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，全都密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。下面分别说明各部分的作用。　　1、荧光屏它是示波器的显示部分，当加速聚焦后的电子打到荧光上时，屏上所涂的荧光物质就会发光，从而显示出电子束的位置。当电子停止作用后，荧光剂的发光需经一定时间才会停止，称为余辉效应。　　2、电子枪由灯丝H、阴极K、控制栅极G、*阳极A1、第二阳极A2五部分组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“亮度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、*阳极、第二阳极之间的电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用，所以*阳极也称聚焦阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦”调节，就是调*阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极电位。　　3、偏转系统它由两对相互垂直的偏转板组成，一对垂直偏转板Y，一对水平偏转板X。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上的光斑位置也发生改变。　　容易证明，光点在荧光屏上偏移的距离与偏转板上所加的电压成正比，因而可将电压的测量转化为屏上光点偏移距离的测量，这就是示波器测量电压的试验方法。　　二、信号放大器和衰减器　　示波管本身相当于一个多量程电压表，这一作用是靠信号放大器和衰减器实现的。由于示波管本身的X及Y轴偏转板的灵敏度不高（约0.1—1mm/V），当加在偏转板的信号过小时，要预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上。为此设置X轴及Y轴电压放大器。衰减器的作用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器受损。对一般示波器来说，X轴和Y轴都设置有衰减器，以满足各种测量的需要。　　三、扫描系统　　扫描系统也称时基电路，用来产生一个随时间作线性变化的扫描电压，这种扫描电压随时间变化的关系如同锯齿，故称锯齿波电压，这个电压经X轴放大器放大后加到示波管的水平偏转板上，使电子束产生水平扫描。这样，屏上的水平坐标变成时间坐标，Y轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必需的重要组成部分。

标签: 示波器 示波器 示波器的基本结构_示波器 就像大多数技术一样，示波器也同样在与时俱进。以往只有昂贵的“顶级”示波器才具备的功能，现在已普及到低价位的示波器中。这些功能包括可升级带宽、存储深度、大显示屏和高速波形捕获率等等。过去的高端示波器配有以太网、USB、GPIB、VGA、触发输入、触发输出连接，经济型示波器往往不具备所有的连接，甚至有的示波器还在使用软盘驱动器或只有GPIB接口。幸运的是新的连通性选项已经开始普及到更便宜的示波器。对于非Windows示波器，现在有哪些新的选项呢？USB连通性在几乎所有情况下，示波器都已经用USB取代了软盘驱动器。当用户要保存屏幕截图或数据文件时，只需插入U盘保存截图和数据??。这通常被称为“USB主机端”。正如您所预期的，USB提供远远超过以往各种数据保存选项的技术优势，包括更大的存储空间(Agilent 2000和3000 X系列高达128GB)，更小的外形尺寸和更容易传送到您的PC(还记得您*一次使用软盘驱动器的时间吗？)。经由USB主端的连接通常被称为“中介”，虽然您能轻松地使用 U盘向示波器或从示波器传输文件，但这还不是真正的直接连接。您还必须通过“中介”用 U盘在计算机和示波器间传递信息。但这还不是真正的直接连接。您还必须通过“中介”用 U盘在计算机和示波器间传递信息。

图1保存∕调用屏幕。您能通过远地用户界面直接从 PC 保存和调用设置。此外，您还能保存图像和数据，甚至把您已建立的模板直接保存到PC 中

除USB主端外，许多示波器现在还有USB设备端连接。它不是用于连接U盘，而是代之以允许您通过USB从远地控制示波器。为启用此连接，要把PC上的USB主机端与示波器上的USB设备端通过USB电缆接到一起。USB设备端连接通常涉及某类驱动程序库。Agilent使用它的IO库，其中包括帮助您设置示波器链接的程序。连接建立后，就可使用命令控制示波器。以太网连通性虽然USB连接目前已很常见，但以太网连接，特别是对于较便宜的非Windows示波器还是相当新的技术。现在您有能力在以太网上远地控制示波器，甚至能在网络打印机上打印示波器的测量结果。以太网连通性不仅提供了示波器的另一种连接方式，被称为LXI(LAN在仪器领域的扩展)的新型以太网连接更为与测试设备的交互提供了一种全新的方式。LXI不仅能容易地配置您的测试系统，通过各种连通性选项(包括GPIB这类传统标准)与其他仪器相集成外，它还有许多使示波器交互非常强大的极为独特的能力。例如Agilent LXI仪器内嵌一个Web服务器。这一内嵌网页有许多突出的优点* 识别示波器信息，如型号、序列号、主机名、IP地址和VISA(地址)连接字符串* 通过电脑上的虚拟前面板远程控制示波器* 通过SCPI命令窗发送SCPI(可程控仪器的标准命令)命令的能力* 在PC上保存设置，波形数据(多种格式)和模板文件的能力* 从PC上调用设置，波形数据文件和模板文件的能力* 捕获屏幕图像，把图像容易地增添到文档中的能力* 对正被控制的示波器有‘激活中’的信息闪动 —— 这在当您控制机柜中多台示波器中的某一台时，特备有用，因为您不需要做任何特别的动作，就知道目前是哪一台示波器受控。* 透过网络升级固件的能力通过虚拟前面板远程控制示波器LXI仪器提供通过虚拟前面板实现远程控制的能力。虚拟前面板重现示波器的所有功能。有些示波器，如Agilent InfiniiVision X系列示波器为您提供两种虚拟前面板选项1. 基本虚拟前面板2. 和物理示波器一模一样的虚拟前面板基本虚拟前面板通常是示波器适用功能的简视图。对于只有有限的屏幕分辨率，因此要把与示波器的交互压缩到极有限范围的PC来说，这是理想的远程控制方式。它也更适合鼠标，而不是手指的触摸驱动。

图2基本虚拟前面板。注意其更紧凑的显示，它更适合分辨率较低的显示和∕或主要使用鼠标控制的用户

Agilent InfiniiVision X系列示波器还有另一选项，这就是和真实示波器前面板一模一样的虚拟前面板。这种虚拟前面板与示波器前面板功能相同，这也是*为明显的使用方式和好处。它对于有可能远地使用示波器的人是非常理想的，因为它们有同样的外观和操作方式，就像是直接操纵着示波器。如果是使用触摸屏 PC，您更能轻松地使用手指与鼠标在这种前面板上实现远程控制。除了远地界面和示波器前面板的类似外观和操作方式是一个极大优点，这一远地示波器前面板的另一重大使用优点是培训和教育。当您成立新的生产线或实验室，如果不是每个人在任何时间都能分到一台示波器，您可将InfiniiVision示波器连接到公司内部网络，这样任何人输入该示波器IP地址，就可以练习使用它，这样等到示波器拿到自己面前时，已经很熟悉它的操作了。它也是功能强大的教学工具，有了这一功能，实验室中的老师就可通过其虚拟前面板与一台示波器互动，学生就可看到示波器的操作，观察老师与它互动、捕获屏幕和保存数据等操作。尽管多人操作时，不能在同一时间进行不同的动作，但对于设备有限的实验室来说，让许多学生分时使用或同时观察一台示波器是非常有用的。虚拟前面板和实际示波器前面板一模一样，带来的另一个好处是，工程师能调解不同地点多个团队间的问题。团队工程师和您直接看到的是完全相同的前面板和信号波形，因此可通过直接交流解决大家关注的问题。

图3虚拟示波器前面板。这一虚拟控制界面精确复制了示波器的前面板，熟悉示波器前面板的用户能立即启用。它也是培训和多站点协同的理想选择

本文结论如果您还在使用着带有软盘驱动器，甚至是仅有USB的示波器，您可能会对这些新的连通技术，特别是对其极低的价格点感到吃惊。随着示波器的更新换代，它们变得越来越强大，灵活和易用。示波器新的功能特性，如以太网连接，如果再结合Web服务器功能，将极大提高您的生产力。