示波器探頭的重要性，你了解多少？

摘要：電子產(chǎn)品日益復(fù)雜，市場(chǎng)對(duì)示波器的帶寬和準(zhǔn)確性提出更高要求。這不是購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)高檔示波器就能解決的問(wèn)題，還需搭配適合的探頭和正確的測(cè)試方法。本文從探頭的原理出發(fā)，講述如何正確選擇和使用探頭。

一、認(rèn)識(shí)示波器探頭

被測(cè)信號(hào)不可能直接接入到示波器中，這就需要一個(gè)設(shè)備為測(cè)試點(diǎn)與示波器之間建立電氣連接。根據(jù)需求不同，這個(gè)設(shè)備可以是一個(gè)導(dǎo)線(xiàn)，也可能是較為復(fù)雜的電路。這個(gè)負(fù)責(zé)勾連測(cè)試點(diǎn)與示波器的設(shè)備就是示波器探頭。所以示波器探頭至關(guān)重要，沒(méi)有探頭示波器將無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。

圖1

上圖為示波器探頭測(cè)量時(shí)的示意圖，從上圖可知，示波器一般具有三個(gè)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(cè)試點(diǎn)直接接觸，從而與被測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生電氣連接，最終獲取到需要測(cè)量的信號(hào)。探頭電纜的作用則是使示波器和探頭頭部彼此不互相干涉，可以做到在不移動(dòng)示波器的前提下，隨意移動(dòng)探頭頭部，使之可以方便的與測(cè)試點(diǎn)接觸。最后的探頭補(bǔ)償設(shè)備，主要是為了盡量消除探頭電纜帶來(lái)的負(fù)面影響，從一定程度上保持探頭的測(cè)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(gè)透明的設(shè)備，一定會(huì)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(huì)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(huì)有的一個(gè)參數(shù)，指的是探頭使信號(hào)幅度下降的程度。某些探頭可能會(huì)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(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減。10×則表示信號(hào)會(huì)被衰減10倍再輸入示波器。1×、10×這些名稱(chēng)的由來(lái)，是因?yàn)橹暗氖静ㄆ鳑](méi)有自動(dòng)識(shí)別探頭衰減系數(shù)和自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力，所以需要通過(guò)1×、10×這些名稱(chēng)來(lái)提醒測(cè)試者記得要把測(cè)量出來(lái)的結(jié)果乘以相應(yīng)的倍數(shù)。

2、帶寬

帶寬也同樣是一個(gè)探頭必備的參數(shù)，指的是探頭導(dǎo)致信號(hào)衰減-3dB情況下的頻率點(diǎn)。如下圖所示：

圖2

如100MHz探頭就有100MHz帶寬，500MHz探頭就有500MHz帶寬。一些探頭，還會(huì)有一個(gè)低頻的帶寬頻率，比如一些AC探頭，不能傳遞DC信號(hào)，它在低頻段會(huì)有一個(gè)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(hào)被測(cè)量出的幅度只有真實(shí)信號(hào)的70.7%，所以測(cè)量者需要考慮對(duì)這個(gè)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(duì)單一正弦波的測(cè)量，如果需要測(cè)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(hào)激勵(lì)的輸入下，輸出信號(hào)從10%上升至90%所需的時(shí)間。這個(gè)參數(shù)實(shí)際上是用來(lái)進(jìn)行評(píng)估誤差范圍的。比如被測(cè)試方波信號(hào)的上升沿的上升時(shí)間為10ns，則經(jīng)過(guò)一個(gè)上升時(shí)間為3.5ns的探頭，最終輸出的上升時(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(cè)量時(shí)，就需要盡量選擇上升時(shí)間遠(yuǎn)小于被測(cè)信號(hào)上升時(shí)間的探頭，一般需要3~5倍。

4、最大輸入電壓

最大輸入電壓是指探頭可以輸入的最大額定值的電壓。最大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(huì)通過(guò)一些安規(guī)規(guī)范來(lái)給出，而不是給出單一的電壓，比如一般10×的無(wú)源探頭的最大輸入電壓為300VRMS CAT Ⅱ。其中CAT Ⅱ 指的是一類(lèi)測(cè)試場(chǎng)景，300VRMS CAT Ⅱ指的是在這類(lèi)測(cè)試場(chǎng)景下可以測(cè)量的最大電壓。而且這個(gè)電壓并不是一個(gè)恒定值。而是會(huì)隨著頻率的變化而變化。一般探頭會(huì)給出自己的電壓額定曲線(xiàn)，如下圖所示：

圖3

5、輸入電容

輸入電容就是從探頭的探頭頭部端測(cè)量出的電容。對(duì)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(duì)于一些無(wú)源探頭，還要包括探頭電纜的寄生電容和示波器本身的電容。該電容值越小，一般說(shuō)明探頭可測(cè)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(cè)量出的電阻，該值是在DC情況下測(cè)量出來(lái)的。對(duì)于無(wú)源探頭來(lái)說(shuō)，衰減比例越大，探頭的輸入電阻越高。

7、示波器補(bǔ)償范圍

多數(shù)無(wú)源探頭都是一種通用的設(shè)備，而在不同示波器之間，甚至在同一臺(tái)示波器不同通道之間都會(huì)有所差異。探頭為了兼容這些差異，就會(huì)自帶一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)補(bǔ)償不同示波器間的差異。如果補(bǔ)償不足或者補(bǔ)償過(guò)度，就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。而這個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是一定會(huì)有一個(gè)能夠調(diào)整的范圍的，這個(gè)范圍就是示波器補(bǔ)償范圍。一般的無(wú)源探頭的示波器補(bǔ)償范圍為10~35pF。

8、電纜長(zhǎng)度

每個(gè)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(cè)量。而這段電纜會(huì)造成一定的信號(hào)傳播延時(shí)。例如，1m左右的探頭電纜，大概會(huì)有5ns的延時(shí)。對(duì)于10MHz的信號(hào)，這會(huì)造成大概20°左右的延時(shí)。電纜越長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致相位信號(hào)延遲越長(zhǎng)。而這個(gè)延時(shí)一般情況下不會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響，因?yàn)樵谝欢◣挿秶鷥?nèi)，這個(gè)延時(shí)并不會(huì)跟隨信號(hào)頻率變化而變化，所以不會(huì)造成群延時(shí)的失真。只有在兩個(gè)以上通道一起測(cè)量時(shí)，傳輸延時(shí)才會(huì)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(cè)量時(shí)，不同探頭之間的延時(shí)就會(huì)造成很大的影響。所以測(cè)量之前需要根據(jù)電纜長(zhǎng)度來(lái)推算大致的延時(shí)。如果延時(shí)過(guò)大，則需要使用示波器內(nèi)的延時(shí)校準(zhǔn)功能。

二、常見(jiàn)探頭種類(lèi)

常見(jiàn)探頭分類(lèi)如下圖所示：

圖4 示波器探頭分類(lèi)

其中無(wú)源探頭常見(jiàn)的有1×、10×、100×三種規(guī)格，一般情況下，1×探頭多為低帶寬探頭，適用于測(cè)量低頻低電壓的信號(hào)，100×探頭耐壓值一般較高，適用于一些高壓測(cè)量情景，而10×探頭的帶寬一般都比較高，適用于較高速信號(hào)的測(cè)量。

有源探頭中，高速差分探頭適用于高速信號(hào)的測(cè)量，其帶寬很高，而且探頭負(fù)載效益很小，但是一般都價(jià)格昂貴。高壓差分探頭一般適用于對(duì)高壓場(chǎng)合的測(cè)試，與無(wú)源探頭相比，不僅輸入電壓更高，一般都在1000V以上，而且由于其兩根測(cè)量線(xiàn)對(duì)地阻抗都非常高，使其可以直接進(jìn)行非接地測(cè)量，比如在測(cè)量市電時(shí)，無(wú)源探頭的地線(xiàn)必須接到市電的地線(xiàn)上，只能測(cè)量L或者N與地線(xiàn)之間的電壓，而高壓差分探頭卻可以進(jìn)行任意兩線(xiàn)間的測(cè)量。電流探頭用于對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量，有些電流探頭只能測(cè)量交流，有些也可以進(jìn)行直流測(cè)量。

三、 探頭的使用注意事項(xiàng)

在探頭的使用上，還需要考慮一些問(wèn)題：

1、安全

使用探頭進(jìn)行測(cè)量時(shí)，最重要的就是安全問(wèn)題。比如使用無(wú)源探頭時(shí)，探頭的地線(xiàn)與示波器的地是連接在一起的，當(dāng)示波器安全接地的時(shí)候，探頭是安全的。但是當(dāng)示波器沒(méi)有安全接地時(shí)，探頭的地線(xiàn)就會(huì)存在一定的電壓從而給使用者帶來(lái)危險(xiǎn)。具體情況如圖5所示：

圖5

圖6 示波器接地

由于Y電容的原因，導(dǎo)致原本的接地點(diǎn)電壓就不在是0V，而是L與N之間電壓的一半也就是110V電壓，這個(gè)電壓會(huì)對(duì)人體進(jìn)行傷害。所以示波器的測(cè)量過(guò)程中，一定要保證接地良好，或者采用隔離變壓器進(jìn)行完全的安全隔離，否則有可能會(huì)導(dǎo)致使用者觸電。

而且此時(shí)如果探頭的地線(xiàn)是接到了一個(gè)比較高的電壓上，比如說(shuō)市電的火線(xiàn)上時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)示波器外殼都帶有220V高壓，這時(shí)人再觸碰示波器時(shí)就會(huì)發(fā)生直接觸電，這種情況非常危險(xiǎn)，相當(dāng)于直接將手插入市電插排。

圖7

2、連接順序

探頭通過(guò)示波器電源線(xiàn)的地線(xiàn)間接接地，而被測(cè)系統(tǒng)可能是一個(gè)懸浮的系統(tǒng)，為避免危險(xiǎn)，地線(xiàn)必須先連接到地上，將示波器與被測(cè)系統(tǒng)共地，然后才能將探頭探針點(diǎn)在測(cè)試點(diǎn)上。而當(dāng)斷開(kāi)探頭時(shí)，也要先斷開(kāi)探針，然后再斷開(kāi)地線(xiàn)。

3、阻抗

使用探頭時(shí)，需要考慮與示波器的匹配問(wèn)題。常見(jiàn)的無(wú)源探頭，一般需要示波器的阻抗檔位是1MΩ阻抗。而一些有源探頭則是需要50Ω阻抗。使用探頭前，要看說(shuō)明書(shū)上對(duì)應(yīng)阻抗的說(shuō)明，來(lái)選擇相應(yīng)的示波器檔位與之匹配。

4、帶寬

當(dāng)使用探頭進(jìn)行測(cè)量時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的帶寬就是由探頭帶寬和示波器帶寬兩部分組成的，其中任何一個(gè)帶寬不足，都會(huì)導(dǎo)致最終測(cè)量結(jié)果不能達(dá)到要求。比如選用一個(gè)100M的探頭配套一個(gè)500M的示波器，那么帶寬最多也就只有100M左右，這樣就無(wú)法發(fā)揮500M示波器的帶寬優(yōu)勢(shì)。所以合理選擇示波器與探頭，才能讓測(cè)試帶寬達(dá)到要求。

5、電壓

選擇探頭時(shí)，還需要考慮測(cè)試信號(hào)的電壓，一方面要保證測(cè)試電壓不要高于探頭的最大輸入電壓，另一方面也要保證探頭輸出的信號(hào)在示波器的可測(cè)量范圍內(nèi)。這需要測(cè)試者根據(jù)測(cè)試信號(hào)的電壓來(lái)選擇探頭。比如要測(cè)量600Vpp的電壓信號(hào)，就需要選擇耐壓值超過(guò)600Vpp的探頭，而一般示波器最大測(cè)量電壓是80V，所以需要選擇一個(gè)衰減比大于8的探頭。而如果需要測(cè)量的信號(hào)是10mVpp的電壓信號(hào)，則就需要采用無(wú)衰減的探頭進(jìn)行測(cè)量。

6、地線(xiàn)的影響

傳統(tǒng)的使用習(xí)慣上，示波器的接地方式就是那根長(zhǎng)長(zhǎng)的接地夾線(xiàn)。這種接地方式，確實(shí)是一種簡(jiǎn)單方便的接地方式，但是卻并不是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、?zhǔn)確的接地方式。

圖8 接地夾線(xiàn)示意圖

由于地夾線(xiàn)比較長(zhǎng)，其會(huì)形成一個(gè)寄生電感Lgnd，隨著夾線(xiàn)的增長(zhǎng)，這個(gè)電感也會(huì)增大，而這個(gè)回路電感會(huì)和示波器探頭的輸入電容Cin產(chǎn)生諧振。這就導(dǎo)致示波器的幅頻特性變得不平坦，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。下圖為使用接地夾時(shí)的等效電路。

圖9 接地夾線(xiàn)等效電路圖

下圖為用該等效電路仿真出的頻譜特性曲線(xiàn)：

圖10 頻譜特性曲線(xiàn)

可以看出，在60MHz以上的頻率，幅度已經(jīng)產(chǎn)生了超過(guò)3dB的過(guò)沖，而到達(dá)100M左右時(shí)，過(guò)沖到最大幅度。所以如果采用地夾，測(cè)量超過(guò)60MHz的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生比較大的失真。正確的方式應(yīng)該是采用接地彈簧。接地彈簧具有非常小的電感，可以大大提升探頭的帶寬。

圖11 接地彈簧示意圖

而且使用彈簧，也會(huì)減小接地環(huán)路面積，大大較小空間噪聲的輻射干擾。

7、補(bǔ)償電容的調(diào)節(jié)

對(duì)于10×無(wú)源探頭，其等效模型如下圖所示。

圖12 探頭等效電路

其中C1和Cline1是示波器和通訊電纜的寄生電容，是無(wú)法去除的。由于R2的原因，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低通濾波器，這就導(dǎo)致探頭無(wú)法通過(guò)高頻信號(hào)。為了提高探頭帶寬，探頭中會(huì)加入C2，來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

計(jì)算可得該系統(tǒng)的零點(diǎn)：

系統(tǒng)極點(diǎn)為：

只有使得這兩個(gè)點(diǎn)重合，才能讓探頭帶寬得以平坦。而示波器的輸入電容C1和通訊電纜的電容Cline1都有一定的變化范圍，所以必須加入一個(gè)可調(diào)電容Cadj來(lái)進(jìn)行匹配。實(shí)際使用時(shí)，需要通過(guò)這個(gè)可調(diào)電容來(lái)將探頭帶寬調(diào)節(jié)平坦。具體方式是將探頭鏈接到示波器的校準(zhǔn)片上，然后通過(guò)調(diào)節(jié)探頭補(bǔ)償裝置上的調(diào)節(jié)器，將方波調(diào)節(jié)平坦。下圖為調(diào)節(jié)圖例。當(dāng)屏幕上的波形變?yōu)榉讲〞r(shí)，表示探頭調(diào)節(jié)成功。

圖13 探頭補(bǔ)償示意圖

8、探頭的負(fù)載效應(yīng)

前文提到過(guò)，探頭都是具有輸入電容和輸入電阻的，這就導(dǎo)致其并不能當(dāng)成一個(gè)阻抗無(wú)窮大的設(shè)備，其測(cè)量時(shí)的等效模型如下圖所示。

圖14

根據(jù)電路知識(shí)可知，對(duì)于直流信號(hào)而言，與未接入探頭前相比，Vout會(huì)有所下降，因?yàn)楝F(xiàn)在的負(fù)載不再是RL，而是RL與Rin并聯(lián)后的電阻，這勢(shì)必小于原來(lái)的電阻RL。而對(duì)于交流信號(hào)而言，還需要在并聯(lián)上一個(gè)電容Cin產(chǎn)生的阻抗。而這個(gè)阻抗會(huì)隨著頻率的增加而逐漸減小。這就是有些情況下探頭點(diǎn)上去，電路無(wú)法正常工作的原因。在使用探頭測(cè)量時(shí)，需要評(píng)估探頭的負(fù)載效應(yīng)對(duì)被測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。比如一般的1×探頭，輸入電容高達(dá)150pF左右，如果接入到一個(gè)50Ω系統(tǒng)中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)40M左右的低通濾波器，如果被測(cè)信號(hào)接近或者高于這個(gè)頻率時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致被測(cè)系統(tǒng)工作異常。進(jìn)行高頻測(cè)量時(shí)，探頭的輸入電容越小，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也就越小。

四、總結(jié)

探頭在示波器測(cè)量系統(tǒng)中，至關(guān)重要。ZDS4000示波器具有很優(yōu)越的各項(xiàng)性能，同時(shí)標(biāo)配了性能優(yōu)異的無(wú)源探頭，但是探頭的使用上存在著很多需要注意的事項(xiàng)，為了能正確的發(fā)揮示波器的性能，使用者需要了解這些，才能即安全又準(zhǔn)確的得到測(cè)量結(jié)果。