認識示波器探頭

　　被測信號不可能直接接入到示波器中，這就需要一個(gè)設備為測試點(diǎn)與示波器之間建立電氣連接。根據需求不同，這個(gè)設備可以是一個(gè)導線(xiàn)，也可能是較為復雜的電路。這個(gè)負責勾連測試點(diǎn)與示波器的設備就是示波器探頭。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)行測量。

　　示波器一般具有三個(gè)典型的部分，探頭頭部、探頭電纜和探頭補償設備。其中探頭頭部的作用是與測試點(diǎn)直接接觸，從而與被測系統產(chǎn)生電氣連接，最終獲取到需要測量的信號。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試點(diǎn)接觸。最后的探頭補償設備，主要是為了盡量消除探頭電纜帶來(lái)的負面影響，從一定程度上保持探頭的測量準確性。

　　由探頭的基本結構可知，探頭是不可能被看為一個(gè)透明的設備，一定會(huì )有很多性能上的限制，比如探頭電纜和補償設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。在此歸納一下：

　　1、衰減系數

　　衰減系數，是所有探頭都會(huì )有的一個(gè)參數，指的是探頭使信號幅度下降的程度。某些探頭可能會(huì )有可選擇的衰減系數。典型的衰減系數有1×、10×和100×。1×探頭表示不會(huì )對信號進(jìn)行衰減。10×則表示信號會(huì )被衰減10倍再輸入示波器。1×、10×這些名稱(chēng)的由來(lái)，是因為之前的示波器沒(méi)有自動(dòng)識別探頭衰減系數和自動(dòng)調節的能力，所以需要通過(guò)1×、10×這些名稱(chēng)來(lái)提醒測試者記得要把測量出來(lái)的結果乘以相應的倍數。

　　2、帶寬

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

　　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，它在低頻段會(huì )有一個(gè)帶寬參數。值得一提的是，帶寬指的是-3dB的頻譜，此時(shí)信號被測量出的幅度只有真實(shí)信號的70.7%，所以測量者需要考慮對這個(gè)結果是否可以被接受，否則就需要使用更高帶寬的探頭。

　　3、上升時(shí)間

　　帶寬指的是對單一正弦波的測量，如果需要測量的是方波，則需要考慮探頭的上升時(shí)間，該參數是探頭在階躍信號激勵的輸入下，輸出信號從10%上升至90%所需的時(shí)間。這個(gè)參數實(shí)際上是用來(lái)進(jìn)行評估誤差范圍的。比如被測試方波信號的上升沿的上升時(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%。所以測量時(shí)，就需要盡量選擇上升時(shí)間遠小于被測信號上升時(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身和探頭內部器件的額定擊穿電壓。一般該項會(huì )通過(guò)一些安規規范來(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300VRMSCATⅡ。其中CATⅡ指的是一類(lèi)測試場(chǎng)景，300VRMSCATⅡ指的是在這類(lèi)測試場(chǎng)景下可以測量的最大電壓。而且這個(gè)電壓并不是一個(gè)恒定值。而是會(huì )隨著(zhù)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：

　　5、輸入電容

　　輸入電容就是從探頭的探頭頭部端測量出的電容。對于有源探頭，該電容包括探頭探針的寄生電容和探頭內部電路中的電容。對于一些無(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量出的電阻，該值是在DC情況下測量出來(lái)的。對于無(wú)源探頭來(lái)說(shuō)，衰減比例越大，探頭的輸入電阻越高。

　　7、示波器補償范圍

　　多數無(wú)源探頭都是一種通用的設備，而在不同示波器之間，甚至在同一臺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)補償網(wǎng)絡(luò )，用來(lái)補償不同示波器間的差異。如果補償不足或者補償過(guò)度，就會(huì )導致測量結果出現錯誤。而這個(gè)補償網(wǎng)絡(luò )是一定會(huì )有一個(gè)能夠調整的范圍的，這個(gè)范圍就是示波器補償范圍。一般的無(wú)源探頭的示波器補償范圍為10~35pF。

　　8、電纜長(cháng)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)行測量。而這段電纜會(huì )造成一定的信號傳播延時(shí)。例如，1m左右的探頭電纜，大概會(huì )有5ns的延時(shí)。對于10MHz的信號，這會(huì )造成大概20°左右的延時(shí)。電纜越長(cháng)，會(huì )導致相位信號延遲越長(cháng)。而這個(gè)延時(shí)一般情況下不會(huì )對測量造成影響，因為在一定帶寬范圍內，這個(gè)延時(shí)并不會(huì )跟隨信號頻率變化而變化，所以不會(huì )造成群延時(shí)的失真。只有在兩個(gè)以上通道一起測量時(shí)，傳輸延時(shí)才會(huì )產(chǎn)生影響，特別是當電壓探頭與電流探頭一起進(jìn)行功率測量時(shí)，不同探頭之間的延時(shí)就會(huì )造成很大的影響。所以測量之前需要根據電纜長(cháng)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的延時(shí)校準功能。

　　4.示波器探頭分類(lèi)

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

　　有源探頭中，高速差分探頭適用于高速信號的測量，其帶寬很高，而且探頭負載效益很小，但是一般都價(jià)格昂貴。高壓差分探頭一般適用于對高壓場(chǎng)合的測試，與無(wú)源探頭相比，不僅輸入電壓更高，一般都在1000V以上，而且由于其兩根測量線(xiàn)對地阻抗都非常高，使其可以直接進(jìn)行非接地測量，比如在測量市電時(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)間的測量。電流探頭用于對電流進(jìn)行測量，有些電流探頭只能測量交流，有些也可以進(jìn)行直流測量。

　　探頭的使用注意事項

　　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，當示波器安全接地的時(shí)候，探頭是安全的。但是當示波器沒(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。具體情況如圖5所示：

　　由于Y電容的原因，導致原本的接地點(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 )對人體進(jìn)行傷害。所以示波器的測量過(guò)程中，一定要保證接地良好，或者采用隔離變壓器進(jìn)行*的安全隔離，否則有可能會(huì )導致使用者觸電。

　　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，相當于直接將手插入市電插排。

　　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，而被測系統可能是一個(gè)懸浮的系統，為避免危險，地線(xiàn)必須先連接到地上，將示波器與被測系統共地，然后才能將探頭探針點(diǎn)在測試點(diǎn)上。而當斷開(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)上對應阻抗的說(shuō)明，來(lái)選擇相應的示波器檔位與之匹配。

　　4、帶寬

　　當使用探頭進(jìn)行測量時(shí)，整個(gè)系統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 )導致最終測量結果不能達到要求。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。所以合理選擇示波器與探頭，才能讓測試帶寬達到要求。

　　5、電壓

　　選擇探頭時(shí)，還需要考慮測試信號的電壓，一方面要保證測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在示波器的可測量范圍內。這需要測試者根據測試信號的電壓來(lái)選擇探頭。比如要測量600Vpp的電壓信號，就需要選擇耐壓值超過(guò)600Vpp的探頭，而一般示波器最大測量電壓是80V，所以需要選擇一個(gè)衰減比大于8的探頭。而如果需要測量的信號是10mVpp的電壓信號，則就需要采用無(wú)衰減的探頭進(jìn)行測量。

　　6、地線(xiàn)的影響

　　傳統的使用習慣上，示波器的接地方式就是那根長(cháng)長(cháng)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謹的、準確的接地方式。

　　由于地夾線(xiàn)比較長(cháng)，其會(huì )形成一個(gè)寄生電感Lgnd，隨著(zhù)夾線(xiàn)的增長(cháng)，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。這就導致示波器的幅頻特性變得不平坦，導致測量不準確。下圖為使用接地夾時(shí)的等效電路。

　　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100M左右時(shí)，過(guò)沖到最大幅度。所以如果采用地夾，測量超過(guò)60MHz的信號就會(huì )產(chǎn)生比較大的失真。正確的方式應該是采用接地彈簧。接地彈簧具有非常小的電感，可以大大提升探頭的帶寬。

　　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、補償電容的調節探頭等效電路

　　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，勢必會(huì )產(chǎn)生一個(gè)低通濾波器，這就導致探頭無(wú)法通過(guò)高頻信號。為了提高探頭帶寬，探頭中會(huì )加入C2，來(lái)進(jìn)行補償。

　　計算可得該系統的零點(diǎn)：

　　系統極點(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)可調電容來(lái)將探頭帶寬調節平坦。具體方式是將探頭鏈接到示波器的校準片上，然后通過(guò)調節探頭補償裝置上的調節器，將方波調節平坦。當屏幕上的波形變?yōu)榉讲〞r(shí)，表示探頭調節成功。

　　根據電路知識可知，對于直流信號而言，與未接入探頭前相比，Vout會(huì )有所下降，因為現在的負載不再是RL，而是RL與Rin并聯(lián)后的電阻，這勢必小于原來(lái)的電阻RL。而對于交流信號而言，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(zhù)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。在使用探頭測量時(shí)，需要評估探頭的負載效應對被測試系統產(chǎn)生的影響。比如一般的1×探頭，輸入電容高達150pF左右，如果接入到一個(gè)50Ω系統中，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)40M左右的低通濾波器，如果被測信號接近或者高于這個(gè)頻率時(shí)，就會(huì )導致被測系統工作異常。進(jìn)行高頻測量時(shí)，探頭的輸入電容越小，對系統產(chǎn)生的影響也就越小。

　　總結

　　探頭在示波器測量系統中，至關(guān)重要。ZDS4000示波器具有很*的各項性能，同時(shí)標配了性能優(yōu)異的無(wú)源探頭，但是探頭的使用上存在著(zhù)很多需要注意的事項，為了能正確的發(fā)揮示波器的性能，使用者需要了解這些，才能即安全又準確的得到測量結果。