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不同类型探头及其特点

时间：2008-07-13 17:03:29

关键字：无源带宽 FET 示波器探头

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[导读]市场上提供了数百种、甚至上千种不同的示波器探头。示波器探头的一个技术指标是频率特性，按频率划分探头的种类有其方便之处，但是示波器探头的频率覆盖范围有限很难按无线电频率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段来划分

市场上提供了数百种、甚至上千种不同的示波器探头。示波器探头的一个技术指标是频率特性，按频率划分探头的种类有其方便之处，但是示波器探头的频率覆盖范围有限很难按无线电频率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段来划分。示波器探头是所有探头中的一种，最常使用的探头是电压电流探头，而探头通常是按测量对象进行分类的，具体分类如图2所示：
　　2.1 无源电压探头
　　2.1.1 无源探头
　　无源探头由导线和连接器制成，在需要补偿或衰减时，还包括电阻器和电容器。探头中没有有源器件（晶体管或放大器），因此不需为探头供电。无源探头一般是最坚固、最经济的探头，它们不仅使用简便，而且使用广泛。
　　2.1.2 高阻无源电压探头
　　从实际需要出发，使用最多的是电压探头，其中高阻无源电压探头占最大部分。无源电压探头为不同电压范围提供了各种衰减系数1×，10×和100×。在这些无源探头中，10×无源电压探头是最常用的探头。对信号幅度是1V峰峰值或更低的应用，1×探头可能要比较适合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信号混合（几十毫伏到几十伏）的应用中，可切换1×/10×探头要方便得多。但是，可切换1×/10×探头在本质上是一个产品中的两个不同探头，不仅其衰减系数不同，而且其带宽、上升时间和阻抗（R和C）特点也不同。因此，这些探头不能与示波器的输入完全匹配，不能提供标准10×探头实现的最优性能。
　　2.1.3 低阻无源电压探头
　　大多数高阻无源探头的带宽范围在小于100MHz到500MHz或更高的带宽之间。而低阻无源电压探头（又称为50欧姆探头、Zo探头、分压器探头）的频率特性很好，采用匹配同轴电缆的探头，带宽可达10GHz和100皮秒或更快的上升时间。这种探头是为用于50欧姆环境中设计的，这些环境一般是高速设备检定、微波通信和时域反射计（TDR）。
　　2.1.4 无源高压探头
　　“高压”是相对的概念。从探头角度看，我们可以把高压定义为超过典型的通用10×无源探头可以安全处理的电压的任何电压。高压探头要求具有良好的绝缘强度，保证使用者和示波器的安全。
　　2.2 有源电压探头
　　2.2.1 有源探头
　　有源探头包含或依赖有源器件，如晶体管。最常见的情况下，有源设备是一种场效应晶体管（FET），它提供了非常低的输入电容，低电容会在更宽的频段上导致高输入阻抗。可以从下面的Xc公式中看出：
　　2.2.2 有源FET探头
　　有源FET探头的规定带宽一般在500MHz ～4GHz之间。除带宽更高外，有源FET探头的高输入阻抗允许在阻抗未知的测试点上进行测量，而产生负荷效应的风险要低得多。另外，由于低电容降低了地线影响，可以使用更长的地线。
　　有源FET探头没有无源探头的电压范围。有源探头的线性动态范围一般在±0.6V到±10V之间。
　　2.2.3 有源差分探头
　　差分信号是互相参考，而不是参考接地的信号。差分探头可测量浮置器件的信号，实质上它是两个对称的电压探头组成，分别对地段有良好绝缘和较高阻抗。差分探头可以在更宽的频率范围内提供很高的共模抑制比（CMRR）。
　　2.3 电流探头
　　从原理上来看，用电压探头测得电压值，除以被测阻抗值，很容易就可以获得电流值。然而，实际上这种测量引入的误差很大，所以一般不采用电压换算电流的方法。电流探头可以精确测得电流波形，方法是采用电流互感器输入，信号电流磁通经互感变压器变换成电压，再由探头内的放大器放大后送到示波器。
　　2.3.1 交流电流探头
　　交流电流在互感器中，随着电流方向的变化，产生电场的变化，并感应出电压。交流电流探头属于无源设备，无需外接供电。
　　2.3.2 直流电流探头
　　传统电流探头只能测量交流交流信号，因为稳定的直流电流不能在互感器中感应电流。然而，利用霍尔效应，电流偏流的半导体设备将产生与直流电场对应的电压。所以，直流电流探头是一种有源设备，需要外接供电。
　　所以电流探头基本上分成两类：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。
　　2.4 逻辑探头
　　使用示波器观察分析数字波形的模拟特点时，需要用到逻辑探头，为隔离确切地成因，数字设计人员通常需要查看在具体逻辑条件下发生的特定数据脉冲，这要求逻辑触发功能。如图3为逻辑探头示意图，可以在大多数示波器中增加这种逻辑出发功能。
　　2.5 其他探头
　　由于示波器的应用范围十分广泛，所以除了上述的探头类型外还有各种专用探头，这些专业探头根据其前端传感器的不同而有不同的功用，下面我们介绍其中的两种，仅供读者了解。
　　光电探头在原理上是普通电压探头与光电转换器件的组合，可直接测量光器件和光纤传输的光信号。
　　温度探头是普通电压探头与温度传感器的组合，可直接测量物体的温度。温度探头属传感器探头的一种，各种传感器探头与示波器配合可测量多种物理量。