示波器那些事兒--之探頭

※什么是探頭？

示波器探頭就是把信號源連接到示波器輸入上的某類設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)測量需求，這一連接可能會非常簡單，如一條長一點的導(dǎo)線；也可能非常復(fù)雜，如使用有源差分探頭。

但無論怎樣，在處理示波器探頭的實際特點時，重要的一點是記住探頭就是傳感器。大多數(shù)示波器探頭是電壓傳感器，也就是說探頭傳感和探測電壓信號，把電壓信號傳送到示波器輸入。

※探頭的重要性

探頭對示波器測量至關(guān)重要，在被測信號和示波器的輸入通道之間必須有某類電子連接，也就是某類探頭。

另外，探頭對測量質(zhì)量也非常關(guān)鍵，把探頭連接到電路上可能會影響電路操作，示波器只能顯示和測量探頭傳送到示波器輸入上的信號。因此對所探測的電路影響必須達到最小，并對希望的測量保持足夠的信號保真度。如果探頭不能保持信號保真度，如果它以任何方式改變信號或改變電路的運行方式，示波器會看到實際信號的失真結(jié)果，進而會導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果或誤導(dǎo)性的測量結(jié)果。

※理想的探頭與實際的探頭

在理想的情況下，探頭應(yīng)該具備：

●連接容易、方便：建立到測試點的物理連接是探測的關(guān)鍵要求之一，理想的探頭應(yīng)能夠容易、方便的進行物理連接。對微型電路，如高密度表面封裝技術(shù)（SMT），通過微型探頭頭部及為SMT設(shè)備設(shè)計的各種探頭尖端適配器可以提高連接的容易性和方便性；在電力應(yīng)用中，則要求使用具有更高安全余量、在物理上更大的探頭，例如高壓探頭、夾子式電流探頭等。從這些物理連接實例中，可以看出并沒有一種理想的探頭規(guī)格和配置可以適用于所有應(yīng)用，正因為如此，會有各種探頭規(guī)格和配置的出現(xiàn)，以滿足各種應(yīng)用的物理連接要求。

●絕對的信號保真度：理想的探頭應(yīng)以絕對的信號保真度，把任何信號從探頭尖端傳送到示波器輸入上，換句話說，探頭尖端上發(fā)生的信號應(yīng)逼真的復(fù)現(xiàn)在示波器輸入上。為實現(xiàn)絕對的保真度，從探頭尖端到示波器輸入的探頭電路必須擁有零衰減、無窮大的帶寬及在所有頻率中實現(xiàn)線性相位。這些理想要求在實踐中不僅是不可能實現(xiàn)的，也是不可行的。

●零信號源負荷：測試點后面的電路可以視作一種信號源模型，連接到測試點的任何外部設(shè)備，如探頭，都會在測試點后面的信號源上表現(xiàn)為額外的負荷。在從電路（信號源）吸收信號電流時，外部設(shè)備作為負荷操作。這一負荷或吸收的信號電流會改變測試點后面的電路，進而改變測試點上看到的信號。理想的探頭導(dǎo)致的信號源負荷為零，換句話說，它不會從信號源吸收任何信號電流，這意味著為使吸收的電流為零，探頭必須具有無窮大的阻抗，從而在本質(zhì)上對測試點表示為開路。但在實踐中，零信號源負荷的探頭是不能實現(xiàn)的，這是因為探頭必須吸收少量的信號電流，以在示波器輸入上形成信號電壓。

●全面抗噪聲能力：熒光燈和風扇馬達是我們的周圍環(huán)境中存在的的眾多電子噪聲的兩種來源，這些噪聲源會在附近的電氣電纜和電路上引起噪聲，進而導(dǎo)致在信號中增加噪聲。由于容易受到感應(yīng)噪聲的影響，一段簡單的導(dǎo)線是示波器探頭的次優(yōu)選擇。理想的示波器探頭要能夠全面抗擊所有噪聲源，在實踐中，使用屏蔽可以使探頭對大多數(shù)常用信號電平實現(xiàn)高級抗噪聲能力。

上面討論的理想的探頭提到了多種實際情況，使得實際探頭并不能達到理想水平。首先必須認識到，即使探頭只是一段簡單的導(dǎo)線，但探頭仍可能是一條非常復(fù)雜的電路。對直流信號時，探頭表現(xiàn)為一段簡單的導(dǎo)線，其帶有一定的串聯(lián)電阻和端接電阻；但是對于交流信號，因為任何一段導(dǎo)線都有分布式電感、任何線對都有分布式電容，這些電抗單元（LC）和電阻單元（R）的交互會產(chǎn)生隨著信號頻率變化的總探頭阻抗。通過采用良好的探頭設(shè)計，，可以控制探頭的電阻、電感和電容單元，在指定的頻率范圍上提供希望的信號保真度、衰減和信號源負荷。

※探頭的選擇注意事項

探頭的選擇應(yīng)考慮：

●帶寬和上升時間的限制

帶寬是示波器或探頭設(shè)計使用的頻率范圍。例如，100MHz探頭或示波器是為在高達100MHz的所有頻率上進行測量而設(shè)計的。在超過指定帶寬時，可能會發(fā)生不希望或不能預(yù)測的測量結(jié)果。一般來說，為準確的進行幅度測量，示波器的帶寬應(yīng)比被測的波形頻率高5倍，這種“5倍規(guī)則”保證了非正弦曲線波形中的高頻成份提供足夠的帶寬，如方波。與此類似，示波器必須為測量的波形提供充足的上升時間，為在測量脈沖上升、下降時間時實現(xiàn)合理的精度，探頭和示波器的上升時間應(yīng)該比被測脈沖快3～5倍。

●動態(tài)范圍的限制

所有探頭都有不應(yīng)超過的高壓安全極限。對于無源探頭，這一極限可以從幾百伏到幾千伏。而對于有源探頭，最大安全極限電壓則通常在幾十伏范圍內(nèi)。為避免危及人身安全及可能損壞探頭，最好了解被測的電壓及使用探頭的電壓極限。

除安全考慮因素之外，還要在實踐中考慮測量的動態(tài)范圍。示波器具有靈敏度范圍，典型的靈敏度范圍一般是1mV～10V/格，在八格顯示器上，這意味著可以在4mV～40V的信號上合理的進行測量。在1X探頭中，探頭動態(tài)范圍與示波器相同，即信號測量范圍是4mV～40V。如果需要測量40V以上的信號就需要通過使用衰減器的探頭，例如采用10X探頭就可以把示波器動態(tài)范圍提高到40mV～400V。

最通用的是首選10X探頭，這是因為高端的電壓范圍及其導(dǎo)致的信號源負荷較少，如果打算測量比較寬的電壓范圍，也可以考慮選用1X/10X可切換式探頭，通過切換可實現(xiàn)4mV～400V的動態(tài)范圍。

●信號源負荷

探頭必須吸收部分信號電流，以在示波器輸入上形成信號電壓，這就會導(dǎo)致在測試點上帶來了負荷，可能會改變電路或信號源傳送到測試點上的信號。

1X探頭一般有1MΩ的電阻，10X探頭一般有10MΩ的電阻，在大多數(shù)情況下這些值幾乎不會導(dǎo)致電阻負荷。通常情況下，最擔心的負荷是探頭尖端上的電容導(dǎo)致的負荷，對于低頻，這一電容具有非常高的阻抗，影響幾乎沒有，但隨著頻率的提高，電容電抗會降低，其結(jié)果是負荷會在高頻上提高。這種電容負荷影響著測量系統(tǒng)的帶寬和上升時間，通過選擇尖端電容值低的探頭，可以使電容負荷達到最小。

●探頭的地線

由于地線是一條導(dǎo)線，因此，它有一定的分布式電感。這一電感和探頭電容相互影響，在L和C值確定的某個頻率上會導(dǎo)致振鈴，這個振鈴是不可避免的，但通過設(shè)計探頭接地，可以降低振鈴的影響。為避免接地問題，應(yīng)一直使用隨探頭一起提供的最短的地線，代以其它方式的接地可能會導(dǎo)致被測脈沖上出現(xiàn)振鈴。

※探頭補償

大多數(shù)探頭是為與特定型號的示波器輸入而設(shè)計的，但是在示波器之間，甚至是同一臺示波器不同的輸入通道之間也會略有差異。為在必要時處理這一差異，許多探頭特別是衰減探頭都帶有內(nèi)置補償網(wǎng)絡(luò)。

沒有補償?shù)奶筋^，可能會導(dǎo)致各種測量誤差，特別是在測量脈沖上升時間和下降時間時尤為明顯，為避免這些誤差，應(yīng)在把探頭連接到示波器后立即補償探頭，并經(jīng)常檢查探頭補償結(jié)果。