示波器探頭淺談

一個理想的探頭應(yīng)當(dāng)易于連接，具有可靠而安全的觸點(diǎn)、不會降低其傳輸信號的質(zhì)量或者造成失真、具有線性的相位行為、無衰減、具有無限的帶寬、高的抗噪性能以及不會成為信號源的負(fù)載。然而，實(shí)際上所有這些屬性均不可能絕對實(shí)現(xiàn)，而且某些情況下離所要求的測量情況還會有很大的差距。實(shí)際應(yīng)用中，需要測量的信號往往難以獲取，其阻抗變化可能非常大，整體設(shè)置對噪聲非常敏感而且依賴于頻率，帶寬有限，而且信號傳播的差異會在多個測量通道之間引起輕微的時間偏差(相位和時間偏差)。

幸運(yùn)的是，示波器制造商竭盡全力將與探頭相關(guān)的影響降至最低，使其能夠更容易連接到電路，而且性能更可靠。比如，一只手拿著探頭而另一只手操作示波器的方式是很難做到的。

因此，RS RTO系列示波器的有源探頭讓用戶能夠利用探頭上的一個按鈕來控制示波器功能，而且包含許多功能的控制。該測量儀器上還具備一個稱為RS ProbeMeter的集成電壓計，可以進(jìn)行比傳統(tǒng)示波器通道更為準(zhǔn)確的DC測量。

電壓探頭以及AC或者AC/DC電流探頭是兩款基本的探頭類型。但是還存在許多專為具體測量任務(wù)而設(shè)計的其它探頭，包括設(shè)計用于數(shù)字電路邏輯狀態(tài)故障排解的邏輯探頭。環(huán)境探頭設(shè)計為可以在廣泛的溫度范圍下工作，而溫度探頭可以用來測量組件的溫度，并且可以用在很可能出現(xiàn)高溫的電路中。另外還有設(shè)計用于晶片級探測站中的探頭，以及將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光學(xué)探頭，使得能夠在示波器上查看光學(xué)信號，某些特定的探頭還可用于測量高電壓。

示波器探頭分類

無源探頭

無源探頭是最簡單而且價格最便宜的探頭類型，可以提供大部分必需的測量功能。無源探頭本質(zhì)上由電線和接頭所構(gòu)成，而當(dāng)需要衰減時，還會具備電阻和電容。無源探頭中不存在有源組件，所以無需示波器提供電源也能進(jìn)行工作，本質(zhì)上非常耐用。

1X(“單倍”)探頭是指探頭具有與示波器相同的動態(tài)范圍，而衰減探頭則是通過將信號電平衰減 10 倍、100 倍甚至更高的倍數(shù)，從而擴(kuò)展儀器的測量范圍。最為通用的探頭是 10X 類型的探頭，因?yàn)樗斐傻呢?fù)載效應(yīng)很低，而且提供更大的電壓測量范圍。10X 探頭是許多儀器的典型“標(biāo)配”探頭。

連接至示波器 1M歐姆輸入端的 1X 無源高阻抗探頭具有很高的靈敏度(小衰減)，而將 10:1 的無源高阻抗探頭連接到示波器的 1M 歐姆輸入端時，可以提供比 1X 探頭更寬廣的動態(tài)范圍、更高的輸入阻抗以及更低的電容。將 10:1 無源低阻抗探頭連接至示波器的 50 歐姆輸入端時，其阻抗幾乎不隨頻率變化而變化，但由于其標(biāo)稱阻抗為 500 歐姆，因此會成為信號源的一個明顯負(fù)載。

當(dāng)信號幅值相當(dāng)?shù)蜁r，便需要采用1X探頭;但對于中低幅值成分混合的信號，采用1X/10X衰減比可調(diào)探頭則更為方便。無源探頭的典型帶寬范圍為小于100 MHz ~ 500 MHz。對于50歐姆環(huán)境中所遇到的高速(高頻)信號，需要采用50歐姆的探頭，其帶寬可達(dá)數(shù)千兆赫茲，上升時間可達(dá)100 ps甚至更快。

無源探頭中包含一個低頻調(diào)整控件，在探頭連接至示波器時使用。低頻補(bǔ)償用于使探頭的電容與示波器輸入端的電容相匹配。高頻調(diào)整控件僅適用于50 MHz以上的工作頻率。特定供應(yīng)商用于更高頻率的無源探頭會在出廠前完成調(diào)整，所以僅須執(zhí)行低頻調(diào)整。而有源探頭則無須執(zhí)行這些類型的調(diào)整，因?yàn)樗鼈兊膶傩院脱a(bǔ)償均在出廠前便已確定。

有源探頭

圖1：有源探頭

有源探頭的優(yōu)點(diǎn)包括對信號源的負(fù)載很低，探頭尖端具有可調(diào)的直流偏置(對直流電平上疊加的交流信號具有高分辨率)，以及能夠被示波器自動識別，無須手動調(diào)節(jié)。有源探頭具有單端型及差分型兩種類型。有源探頭采用了諸如場效應(yīng)晶體管等有源元件，其輸入電容非常低，對于在大頻率范圍內(nèi)保持高輸入阻抗來說很有好處。它們還可以用來測量阻抗未知的電路，并且允許使用更長的接地線。由于有源探頭的負(fù)載極低，所以當(dāng)連接至高阻抗電路時(無源探頭的負(fù)載相對來說過大)，有源探頭是必不可少的。

然而，有源探頭中的集成緩沖放大器只能在有限的電壓范圍內(nèi)工作，而有源探頭的阻抗取決于信號的頻率。此外，雖然有源探頭可以用來處理上千伏特的電壓，但其畢竟是有源器件，機(jī)械可靠程度比不上無源探頭。

差分探頭

圖2：差分探頭

盡管可以對各個信號采用單獨(dú)的探頭進(jìn)行探測并測量出差分信號，但最佳方法仍然是采用差分探頭。差分探頭利用內(nèi)置的差分放大器對兩個信號進(jìn)行相減，因此僅占用一個示波器通道，而且還能在比單端型探頭更寬廣的頻率范圍內(nèi)提供足夠高的 CMRR(共模抑制比)性能。差分探頭可以使用在單端和差分應(yīng)用中。

電流探頭

圖3：電流探頭

電流探頭通過測量電流流經(jīng)導(dǎo)體時所產(chǎn)生的電磁通量場來測量電流。然后，電磁通量場會被轉(zhuǎn)換成為對應(yīng)的電壓，以供示波器進(jìn)行測量和分析。當(dāng)示波器的測量與數(shù)學(xué)功能結(jié)合使用時，電流探頭讓用戶能夠執(zhí)行各種各樣的功率測量。

高壓探頭

圖4：高壓探頭

常規(guī)用途的無源探頭最大適用電壓一般在 400V 左右。當(dāng)電路中遇到比如 20 kV 的高電壓時，需要利用專門的探頭才能進(jìn)行安全測量。很明顯，在對如此之高的電壓進(jìn)行測量時，安全是首要考慮因素，而這種類型的探頭通常會利用十分長的線纜長度來適應(yīng)高電壓。

探頭的注意事項(xiàng)

電路負(fù)載

圖5：探頭電路負(fù)載

探頭附加到電路上最基本以及最重要的特征便是負(fù)載，而這種負(fù)載有阻性、容性和感性負(fù)載之分。阻性負(fù)載會造成幅值衰減和直流漂移偏置，并且會改變電路的偏壓。如果探頭的輸入電阻與所探測的信號電阻相同的話，那么阻性負(fù)載就會變得非常大，因?yàn)殡娐分械囊徊糠蛛娏鲿魅胩筋^。這樣反過來會降低電路與探針接觸位置的電壓。

實(shí)際上，這可能使得本來出現(xiàn)故障的電路正常工作，但更多情況下會導(dǎo)致電路的工作出現(xiàn)錯誤。為了降低電阻負(fù)載所造成的影響，一般會采用探頭阻值高于被測電路阻值 10 倍以上的探頭進(jìn)行測量。

電容負(fù)載會降低信號的上升速度，降低帶寬，以及增加傳輸延遲，電容負(fù)載是由探頭尖端的電容所引起的。它引入了頻率的測量誤差，而且是進(jìn)行延遲和上升時間測量時的最大影響因素。電容負(fù)載是由于探頭中的電容所引起的，在高頻中表現(xiàn)為一個高通濾波器，從而使得高頻信息經(jīng)地線流走，顯著地降低了探頭在高頻情況下的輸入阻抗。因此，需要采用尖端電容較小的探頭。

感性負(fù)載也會導(dǎo)致測量信號失真，它是由探頭尖端至探頭接地導(dǎo)線之間的環(huán)形部分的電感所引起的。地線中的感性負(fù)載連同探頭尖端的電容所引起的信號振蕩可以通過有效的接地而得到減輕，這樣可以提高振蕩頻率使其超出儀器的帶寬。接地導(dǎo)線的長度應(yīng)盡可能地短，才能減少回路的長度，從而將電感降至最低。較低的電感可以將被測波形頂部的振蕩降至最低。

接地

當(dāng)使用示波器進(jìn)行測量時，為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果以及保證操作員的安全(尤其是在處理高電壓的時候)，務(wù)必采取正確的接地。儀器必須通過電源線接地，并且切勿在“保護(hù)接地”斷開的情況下進(jìn)行操作。當(dāng)被測設(shè)備的信號地通過另一個位置的電源接地而引起接地回路時，這將會導(dǎo)致出現(xiàn)不必要的低頻嗡嗡聲。常見的處理方式是將信號地與電源地隔離開來，然后在靠近信號針腳的位置與信號地建立連接。

探頭選擇流程

選擇合適(電壓)的探頭有兩個最具決定性的因素：在不失真情況下捕捉波形所需的帶寬，以及將電路負(fù)載降至最低所需的最小阻抗。規(guī)定的示波器帶寬僅適用于 50 歐姆的輸入阻抗以及有限的輸入電壓范圍。為了保持諧波和波形的完整性，儀器的帶寬必須至少是被測的最高脈沖頻率的五倍。

對于交流測量來說，所規(guī)定的直流阻抗的數(shù)值是很小的。隨著頻率增大，阻抗會變小，而無源探頭阻抗變小的程度最為明顯。嘗試將輸入阻抗保持為最高信號頻率時信號源阻抗的10倍，有源探頭和無源探頭之間可以很容易進(jìn)行選擇。這樣能夠?qū)⑦x擇范圍縮小至僅有一個或者兩個與測量設(shè)置要求最為吻合的探頭型號。對于微波波段的示波器帶寬，肯定是有源探頭具有最大優(yōu)勢。

請謹(jǐn)記，10x無源探頭的低頻阻抗是最高的，而且無源探頭一般不會引起直流偏置或者引入噪聲。而有源探頭可以在數(shù)千赫茲的頻率下提供恒定阻抗，而且在數(shù)百兆赫茲的頻率下具有最高阻抗。低阻抗探頭可以在高達(dá)1 GHz的頻率下提供恒定阻抗，盡管能夠在某一頻率下保持令人滿意的恒定阻抗，但較低的阻抗能夠避免諧波信號出現(xiàn)失真。

簡言之，在信號頻率成分高于100 MHz的場合中建議使用有源探頭，而且低的輸入阻抗會導(dǎo)致較高的諧振頻率。與有源探頭之間的連接應(yīng)盡可能短，以確保提供可用的高帶寬。此外，如果接地電平不穩(wěn)定，便需要使用差分探頭。

對于無源探頭，重要的一點(diǎn)是采用特定儀器所建議使用的探頭型號，即便該探頭的帶寬規(guī)范高于使用需要。低輸入電容會導(dǎo)致較高諧振頻率。接地導(dǎo)線應(yīng)盡可能地短，以降低地線的電感。測量陡峭上升沿時間的時候必須小心謹(jǐn)慎，因?yàn)橹C振頻率會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)帶寬。探頭的阻抗應(yīng)大約為電路測量點(diǎn)阻抗的十倍，才不致于向電路引入太大的負(fù)載。