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(lèi)設備或網(wǎng)絡(luò )。根據測量需求，這一連接可能會(huì )非常簡(jiǎn)單，如一條長(cháng)一點(diǎn)的導線(xiàn)；也可能非常復雜，如使用有源差分探頭。

但無(wú)論怎樣，在處理示波器探頭的實(shí)際特點(diǎn)時(shí)，重要的一點(diǎn)是記住探頭就是傳感器。大多數示波器探頭是電壓傳感器，也就是說(shuō)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(lèi)電子連接，也就是某類(lèi)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(huì )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(huì )看到實(shí)際信號的失真結果，進(jìn)而會(huì )導致錯誤的測量結果或誤導性的測量結果。

※理想的探頭與實(shí)際的探頭

在理想的情況下，探頭應該具備：

●連接容易、方便：建立到測試點(diǎn)的物理連接是探測的關(guān)鍵要求之一，理想的探頭應能夠容易、方便的進(jìn)行物理連接。對微型電路，如高密度表面封裝技術(shù)（SMT），通過(guò)微型探頭頭部及為SMT設備設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(shí)例中，可以看出并沒(méi)有一種理想的探頭規格和配置可以適用于所有應用，正因為如此，會(huì )有各種探頭規格和配置的出現，以滿(mǎn)足各種應用的物理連接要求。

●絕對的信號保真度：理想的探頭應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(huà)說(shuō)，探頭尖端上發(fā)生的信號應逼真的復現在示波器輸入上。為實(shí)現絕對的保真度，從探頭尖端到示波器輸入的探頭電路必須擁有零衰減、無(wú)窮大的帶寬及在所有頻率中實(shí)現線(xiàn)性相位。這些理想要求在實(shí)踐中不僅是不可能實(shí)現的，也是不可行的。

●零信號源負荷：測試點(diǎn)后面的電路可以視作一種信號源模型，連接到測試點(diǎn)的任何外部設備，如探頭，都會(huì )在測試點(diǎn)后面的信號源上表現為額外的負荷。在從電路（信號源）吸收信號電流時(shí)，外部設備作為負荷操作。這一負荷或吸收的信號電流會(huì )改變測試點(diǎn)后面的電路，進(jìn)而改變測試點(diǎn)上看到的信號。理想的探頭導致的信號源負荷為零，換句話(huà)說(shuō)，它不會(huì )從信號源吸收任何信號電流，這意味著(zhù)為使吸收的電流為零，探頭必須具有無(wú)窮大的阻抗，從而在本質(zhì)上對測試點(diǎn)表示為開(kāi)路。但在實(shí)踐中，零信號源負荷的探頭是不能實(shí)現的，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(fēng)扇馬達是我們的周?chē)h(huán)境中存在的的眾多電子噪聲的兩種來(lái)源，這些噪聲源會(huì )在附近的電氣電纜和電路上引起噪聲，進(jìn)而導致在信號中增加噪聲。由于容易受到感應噪聲的影響，一段簡(jiǎn)單的導線(xiàn)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(shí)踐中，使用屏蔽可以使探頭對大多數常用信號電平實(shí)現高級抗噪聲能力。

上面討論的理想的探頭提到了多種實(shí)際情況，使得實(shí)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(jiǎn)單的導線(xiàn)，但探頭仍可能是一條非常復雜的電路。對直流信號時(shí)，探頭表現為一段簡(jiǎn)單的導線(xiàn)，其帶有一定的串聯(lián)電阻和端接電阻；但是對于交流信號，因為任何一段導線(xiàn)都有分布式電感、任何線(xiàn)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(huì )產(chǎn)生隨著(zhù)信號頻率變化的總探頭阻抗。通過(guò)采用良好的探頭設計，，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

探頭的選擇應考慮：

●帶寬和上升時(shí)間的限制

帶寬是示波器或探頭設計使用的頻率范圍。例如，100MHz探頭或示波器是為在高達100MHz的所有頻率上進(jìn)行測量而設計的。在超過(guò)指定帶寬時(shí)，可能會(huì )發(fā)生不希望或不能預測的測量結果。一般來(lái)說(shuō)，為準確的進(jìn)行幅度測量，示波器的帶寬應比被測的波形頻率高5倍，這種“5倍規則”保證了非正弦曲線(xiàn)波形中的高頻成份提供足夠的帶寬，如方波。與此類(lèi)似，示波器必須為測量的波形提供充足的上升時(shí)間，為在測量脈沖上升、下降時(shí)間時(shí)實(shí)現合理的精度，探頭和示波器的上升時(shí)間應該比被測脈沖快3～5倍。

●動(dòng)態(tài)范圍的限制

所有探頭都有不應超過(guò)的高壓安全極限。對于無(wú)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。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(shí)踐中考慮測量的動(dòng)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(zhù)可以在4mV～40V的信號上合理的進(jìn)行測量。在1X探頭中，探頭動(dòng)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(guò)使用衰減器的探頭，例如采用10X探頭就可以把示波器動(dòng)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(guò)切換可實(shí)現4mV～400V的動(dòng)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(huì )導致在測試點(diǎn)上帶來(lái)了負荷，可能會(huì )改變電路或信號源傳送到測試點(diǎn)上的信號。

1X探頭一般有1MΩ的電阻，10X探頭一般有10MΩ的電阻，在大多數情況下這些值幾乎不會(huì )導致電阻負荷。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(méi)有，但隨著(zhù)頻率的提高，電容電抗會(huì )降低，其結果是負荷會(huì )在高頻上提高。這種電容負荷影響著(zhù)測量系統的帶寬和上升時(shí)間，通過(guò)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(xiàn)

由于地線(xiàn)是一條導線(xiàn)，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(gè)頻率上會(huì )導致振鈴，這個(gè)振鈴是不可避免的，但通過(guò)設計探頭接地，可以降低振鈴的影響。為避免接地問(wèn)題，應一直使用隨探頭一起提供的最短的地線(xiàn)，代以其它方式的接地可能會(huì )導致被測脈沖上出現振鈴。

※探頭補償

大多數探頭是為與特定型號的示波器輸入而設計的，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(huì )略有差異。為在必要時(shí)處理這一差異，許多探頭特別是衰減探頭都帶有內置補償網(wǎng)絡(luò )。

沒(méi)有補償的探頭，可能會(huì )導致各種測量誤差，特別是在測量脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間時(shí)尤為明顯，為避免這些誤差，應在把探頭連接到示波器后立即補償探頭，并經(jīng)常檢查探頭補償結果。