示波器探頭淺談

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

幸運的是，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(zhù)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(hù)能夠利用探頭上的一個(gè)按鈕來(lái)控制示波器功能，而且包含許多功能的控制。該測量?jì)x器上還具備一個(gè)稱(chēng)為RS ProbeMeter的集成電壓計，可以進(jìn)行比傳統示波器通道更為準確的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(lèi)型。但是還存在許多專(zhuān)為具體測量任務(wù)而設計的其它探頭，包括設計用于數字電路邏輯狀態(tài)故障排解的邏輯探頭。環(huán)境探頭設計為可以在廣泛的溫度范圍下工作，而溫度探頭可以用來(lái)測量組件的溫度，并且可以用在很可能出現高溫的電路中。另外還有設計用于晶片級探測站中的探頭，以及將光信號轉換為電信號的光學(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(lèi)

無(wú)源探頭

無(wú)源探頭是最簡(jiǎn)單而且價(jià)格最便宜的探頭類(lèi)型，可以提供大部分必需的測量功能。無(wú)源探頭本質(zhì)上由電線(xiàn)和接頭所構成，而當需要衰減時(shí)，還會(huì )具備電阻和電容。無(wú)源探頭中不存在有源組件，所以無(wú)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(dòng)態(tài)范圍，而衰減探頭則是通過(guò)將信號電平衰減 10 倍、100 倍甚至更高的倍數，從而擴展儀器的測量范圍。最為通用的探頭是 10X 類(lèi)型的探頭，因為它所造成的負載效應很低，而且提供更大的電壓測量范圍。10X 探頭是許多儀器的典型“標配”探頭。

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

當信號幅值相當低時(shí)，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衰減比可調探頭則更為方便。無(wú)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，其帶寬可達數千兆赫茲，上升時(shí)間可達100 ps甚至更快。

無(wú)源探頭中包含一個(gè)低頻調整控件，在探頭連接至示波器時(shí)使用。低頻補償用于使探頭的電容與示波器輸入端的電容相匹配。高頻調整控件僅適用于50 MHz以上的工作頻率。特定供應商用于更高頻率的無(wú)源探頭會(huì )在出廠(chǎng)前完成調整，所以?xún)H須執行低頻調整。而有源探頭則無(wú)須執行這些類(lèi)型的調整，因為它們的屬性和補償均在出廠(chǎng)前便已確定。

有源探頭

圖1：有源探頭

有源探頭的優(yōu)點(diǎn)包括對信號源的負載很低，探頭尖端具有可調的直流偏置(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(dòng)識別，無(wú)須手動(dòng)調節。有源探頭具有單端型及差分型兩種類(lèi)型。有源探頭采用了諸如場(chǎng)效應晶體管等有源元件，其輸入電容非常低，對于在大頻率范圍內保持高輸入阻抗來(lái)說(shuō)很有好處。它們還可以用來(lái)測量阻抗未知的電路，并且允許使用更長(cháng)的接地線(xiàn)。由于有源探頭的負載極低，所以當連接至高阻抗電路時(shí)(無(wú)源探頭的負載相對來(lái)說(shuō)過(guò)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(lái)處理上千伏特的電壓，但其畢竟是有源器件，機械可靠程度比不上無(wú)源探頭。

差分探頭

圖2：差分探頭

盡管可以對各個(gè)信號采用單獨的探頭進(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。差分探頭利用內置的差分放大器對兩個(gè)信號進(jìn)行相減，因此僅占用一個(gè)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用中。

電流探頭

圖3：電流探頭

電流探頭通過(guò)測量電流流經(jīng)導體時(shí)所產(chǎn)生的電磁通量場(chǎng)來(lái)測量電流。然后，電磁通量場(chǎng)會(huì )被轉換成為對應的電壓，以供示波器進(jìn)行測量和分析。當示波器的測量與數學(xué)功能結合使用時(shí)，電流探頭讓用戶(hù)能夠執行各種各樣的功率測量。

高壓探頭

圖4：高壓探頭

常規用途的無(wú)源探頭最大適用電壓一般在 400V 左右。當電路中遇到比如 20 kV 的高電壓時(shí)，需要利用專(zhuān)門(mén)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(shí)，安全是首要考慮因素，而這種類(lèi)型的探頭通常會(huì )利用十分長(cháng)的線(xiàn)纜長(cháng)度來(lái)適應高電壓。

探頭的注意事項

電路負載

圖5：探頭電路負載

探頭附加到電路上最基本以及最重要的特征便是負載，而這種負載有阻性、容性和感性負載之分。阻性負載會(huì )造成幅值衰減和直流漂移偏置，并且會(huì )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(huà)，那么阻性負載就會(huì )變得非常大，因為電路中的一部分電流會(huì )流入探頭。這樣反過(guò)來(lái)會(huì )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(lái)出現故障的電路正常工作，但更多情況下會(huì )導致電路的工作出現錯誤。為了降低電阻負載所造成的影響，一般會(huì )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。

電容負載會(huì )降低信號的上升速度，降低帶寬，以及增加傳輸延遲，電容負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(shí)間測量時(shí)的最大影響因素。電容負載是由于探頭中的電容所引起的，在高頻中表現為一個(gè)高通濾波器，從而使得高頻信息經(jīng)地線(xiàn)流走，顯著(zhù)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。

感性負載也會(huì )導致測量信號失真，它是由探頭尖端至探頭接地導線(xiàn)之間的環(huán)形部分的電感所引起的。地線(xiàn)中的感性負載連同探頭尖端的電容所引起的信號振蕩可以通過(guò)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。接地導線(xiàn)的長(cháng)度應盡可能地短，才能減少回路的長(cháng)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

當使用示波器進(jìn)行測量時(shí)，為了獲得準確的結果以及保證操作員的安全(尤其是在處理高電壓的時(shí)候)，務(wù)必采取正確的接地。儀器必須通過(guò)電源線(xiàn)接地，并且切勿在“保護接地”斷開(kāi)的情況下進(jìn)行操作。當被測設備的信號地通過(guò)另一個(gè)位置的電源接地而引起接地回路時(shí)，這將會(huì )導致出現不必要的低頻嗡嗡聲。常見(jiàn)的處理方式是將信號地與電源地隔離開(kāi)來(lái)，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(gè)最具決定性的因素：在不失真情況下捕捉波形所需的帶寬，以及將電路負載降至最低所需的最小阻抗。規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(lái)說(shuō)，所規定的直流阻抗的數值是很小的。隨著(zhù)頻率增大，阻抗會(huì )變小，而無(wú)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(shí)信號源阻抗的10倍，有源探頭和無(wú)源探頭之間可以很容易進(jìn)行選擇。這樣能夠將選擇范圍縮小至僅有一個(gè)或者兩個(gè)與測量設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。

請謹記，10x無(wú)源探頭的低頻阻抗是最高的，而且無(wú)源探頭一般不會(huì )引起直流偏置或者引入噪聲。而有源探頭可以在數千赫茲的頻率下提供恒定阻抗，而且在數百兆赫茲的頻率下具有最高阻抗。低阻抗探頭可以在高達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(mǎn)意的恒定阻抗，但較低的阻抗能夠避免諧波信號出現失真。

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

對于無(wú)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范高于使用需要。低輸入電容會(huì )導致較高諧振頻率。接地導線(xiàn)應盡可能地短，以降低地線(xiàn)的電感。測量陡峭上升沿時(shí)間的時(shí)候必須小心謹慎，因為諧振頻率會(huì )遠遠低于系統帶寬。探頭的阻抗應大約為電路測量點(diǎn)阻抗的十倍，才不致于向電路引入太大的負載。