手持式示波表有攜帶方便、操作簡單等特點(diǎn)。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖象,便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。利用設(shè)備能觀察各種不同信號幅度隨時(shí)間變化的波形曲線,還可以用它測試各種不同的電量,如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等。
手持式示波表一般具有三個典型的部分,探頭頭部、探頭電纜和探頭補(bǔ)償設(shè)備。其中探頭頭部的作用是與測試點(diǎn)直接接觸,從而與被測系統(tǒng)產(chǎn)生電氣連接,終獲取到需要測量的信號。探頭電纜的作用則是使示波表和探頭頭部彼此不互相干涉,可以做到在不移動的前提下,隨意移動探頭頭部,使之可以方便的與測試點(diǎn)接觸。探頭補(bǔ)償設(shè)備,主要是為了盡量消除探頭電纜帶來的負(fù)面影響,從一定程度上保持探頭的測量準(zhǔn)確性。
由探頭的基本結(jié)構(gòu)可知,探頭是不可能被看為一個透明的設(shè)備,一定會有很多性能上的限制,比如探頭電纜和補(bǔ)償設(shè)備決定了探頭的帶寬,又比如探頭中的器件尺寸也決定了探頭的輸入電壓。所以探頭會有一些基本的參數(shù)。在此歸納一下:
1、衰減系數(shù)
衰減系數(shù),是所有探頭都會有的一個參數(shù),指的是探頭使信號幅度下降的程度。某些探頭可能會有可選擇的衰減系數(shù)。典型的衰減系數(shù)有1×、10×和100×。1×探頭表示不會對信號進(jìn)行衰減。10×則表示信號會被衰減10倍再輸入。1×、10×這些名稱的由來,是因?yàn)橹暗脑O(shè)備沒有自動識別探頭衰減系數(shù)和自動調(diào)節(jié)的能力,所以需要通過1×、10×這些名稱來提醒測試者記得要把測量出來的結(jié)果乘以相應(yīng)的倍數(shù)。
2、帶寬
帶寬也同樣是一個探頭*的參數(shù),指的是探頭導(dǎo)致信號衰減-3dB情況下的頻率點(diǎn)。如下圖所示:
如100MHz探頭就有100MHz帶寬,500MHz探頭就有500MHz帶寬。一些探頭,還會有一個低頻的帶寬頻率,比如一些AC探頭,不能傳遞DC信號,它在低頻段會有一個帶寬參數(shù)。值得一提的是,帶寬指的是-3dB的頻譜,此時(shí)信號被測量出的幅度只有真實(shí)信號的70.7%,所以測量者需要考慮對這個結(jié)果是否可以被接受,否則就需要使用更高帶寬的探頭。
3、上升時(shí)間
帶寬指的是對單一正弦波的測量,如果需要測量的是方波,則需要考慮探頭的上升時(shí)間,該參數(shù)是探頭在階躍信號激勵的輸入下,輸出信號從10%上升至90%所需的時(shí)間。這個參數(shù)實(shí)際上是用來進(jìn)行評估誤差范圍的。比如被測試方波信號的上升沿的上升時(shí)間為10ns,則經(jīng)過一個上升時(shí)間為3.5ns的探頭,終輸出的上升時(shí)間就大致為:
上升時(shí)間退化了5.9%。
如果此時(shí)改用0.7ns的探頭,則輸出的上升時(shí)間為:
上升時(shí)間僅僅退化了0.24%。所以測量時(shí),就需要盡量選擇上升時(shí)間遠(yuǎn)小于被測信號上升時(shí)間的探頭,一般需要3~5倍。
4、輸入電壓
輸入電壓是指探頭可以輸入的大額定值的電壓。輸入電壓取決于探頭機(jī)身和探頭內(nèi)部器件的額定擊穿電壓。一般該項(xiàng)會通過一些安規(guī)規(guī)范來給出,而不是給出單一的電壓,比如一般10×的無源探頭的輸入電壓為300VRMS CATⅡ。其中CATⅡ指的是一類測試場景,300VRMS CATⅡ指的是在這類測試場景下可以測量的電壓。而且這個電壓并不是一個恒定值。而是會隨著頻率的變化而變化。
5、輸入電容
輸入電容就是從探頭的探頭頭部端測量出的電容。對于有源探頭,該電容包括探頭探針的寄生電容和探頭內(nèi)部電路中的電容。對于一些無源探頭,還要包括探頭電纜的寄生電容和設(shè)備本身的電容。該電容值越小,一般說明探頭可測量的頻率越高。
6、輸入電阻
探頭的輸入電阻是探頭的探頭頭部端測量出的電阻,該值是在DC情況下測量出來的。對于無源探頭來說,衰減比例越大,探頭的輸入電阻越高。
7、補(bǔ)償范圍
多數(shù)無源探頭都是一種通用的設(shè)備,而在不同手持式示波表之間,甚至在同一臺不同通道之間都會有所差異。探頭為了兼容這些差異,就會自帶一個補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),用來補(bǔ)償不同示波表間的差異。如果補(bǔ)償不足或者補(bǔ)償過度,就會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)錯誤。而這個補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是一定會有一個能夠調(diào)整的范圍的,這個范圍就是補(bǔ)償范圍。一般的無源探頭的補(bǔ)償范圍為10~35pF。
8、電纜長度
每個探頭都必須有一段探頭電纜,這是為了更加方便的進(jìn)行測量。而這段電纜會造成一定的信號傳播延時(shí)。例如,1m左右的探頭電纜,大概會有5ns的延時(shí)。對于10MHz的信號,這會造成大概20°左右的延時(shí)。電纜越長,會導(dǎo)致相位信號延遲越長。而這個延時(shí)一般情況下不會對測量造成影響,因?yàn)樵谝欢◣挿秶鷥?nèi),這個延時(shí)并不會跟隨信號頻率變化而變化,所以不會造成群延時(shí)的失真。只有在兩個以上通道一起測量時(shí),傳輸延時(shí)才會產(chǎn)生影響,特別是當(dāng)電壓探頭與電流探頭一起進(jìn)行功率測量時(shí),不同探頭之間的延時(shí)就會造成很大的影響。所以測量之前需要根據(jù)電纜長度來推算大致的延時(shí)。如果延時(shí)過大,則需要使用設(shè)備內(nèi)的延時(shí)校準(zhǔn)功能。