示波器探頭

1 概述
示波器探頭對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性以及正確性至關(guān)重要，它是連接被測(cè)電路與示波器輸入端的電子部件。最簡(jiǎn)單的探頭是連接被測(cè)電路與電子示波器輸入端的一根導(dǎo)線，復(fù)雜的探頭由阻容元件和有源器件組成。簡(jiǎn)單的探頭沒(méi)有采取屏蔽措施很容易受到外界電磁場(chǎng)的干擾，而且本身等效電容較大，造成被測(cè)電路的負(fù)載增加，使被測(cè)信號(hào)失真。
1.1 示波器探頭的定義
本質(zhì)上，示波器探頭是在測(cè)試點(diǎn)或信號(hào)源和示波器之間建立了一條物理和電子連接；實(shí)際上，示波器探頭是把信號(hào)源連接到示波器輸入上的某類(lèi)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)，它必須在信號(hào)源和示波器輸入之間提供足夠方便優(yōu)質(zhì)的連接。連接的充分程度有三個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：物理連接、對(duì)電路操作的影響和信號(hào)傳輸。
1.2 示波器探頭的發(fā)展過(guò)程
在過(guò)去50年中，各種示波器探頭接口設(shè)計(jì)一直在不斷演進(jìn)，以滿(mǎn)足提高的儀器帶寬速度和測(cè)量性能要求。在最早的年代，通常使用香蕉式插頭和UHF型連接器。在20世紀(jì)60年代，普通BNC型連接器成為常用的探頭接口類(lèi)型，因?yàn)锽NC體積更小、頻率更高。目前，BNC探頭接口仍用于測(cè)試和測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)，當(dāng)前更高質(zhì)量的BNC型連接器提供了接近4GHz的最大可用帶寬功能。
之后，某些廠家提出了普通BNC型探頭接口設(shè)計(jì)變通方案，在使用BNC連接器的同時(shí)，額外提供了一個(gè)模擬編碼的標(biāo)度系數(shù)檢測(cè)針腳，作為機(jī)械和電子接口設(shè)計(jì)的一部分，使得兼容的示波器能夠自動(dòng)檢測(cè)和改變示波器顯示的垂直衰減范圍。
1.3 示波器探頭的結(jié)構(gòu)形式
大多數(shù)探頭由探頭頭部、探頭電纜、補(bǔ)償設(shè)備或其他信號(hào)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)和探頭連接頭組成。如圖1所示。

圖1 探頭的結(jié)構(gòu)形式
為進(jìn)行示波器測(cè)量，必須先能夠在物理上把探頭連接到測(cè)試點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，大多數(shù)探頭至少有一兩米長(zhǎng)的相關(guān)電纜，如圖1所示。但是探頭電纜降低了探頭帶寬：電纜越長(zhǎng)，下降的幅度越大。除了一兩米長(zhǎng)的電纜外，大多數(shù)探頭還有一個(gè)探頭頭部或帶探針的把手，探頭頭部可以固定探頭，用戶(hù)則可以移動(dòng)探針，與測(cè)試點(diǎn)接觸。通常這一探針采用彈簧支撐的掛鉤形式，可以把探頭實(shí)際連接到測(cè)試點(diǎn)上。
為了獲得可用的測(cè)量結(jié)果，探針上的信號(hào)必須通過(guò)探頭頭部和電纜，以足夠的保真度傳送到示波器的輸入。
2 示波器探頭的主要分類(lèi)和各類(lèi)探頭的特點(diǎn)
市場(chǎng)上提供了數(shù)百種、甚至上千種不同的示波器探頭。示波器探頭的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)是頻率特性，按頻率劃分探頭的種類(lèi)有其方便之處，但是示波器探頭的頻率覆蓋范圍有限很難按無(wú)線電頻率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段來(lái)劃分。示波器探頭是所有探頭中的一種，最常使用的探頭是電壓電流探頭，而探頭通常是按測(cè)量對(duì)象進(jìn)行分類(lèi)的，具體分類(lèi)如圖2所示：

2.1 無(wú)源電壓探頭
2.1.1 無(wú)源探頭
無(wú)源探頭由導(dǎo)線和連接器制成，在需要補(bǔ)償或衰減時(shí)，還包括電阻器和電容器。探頭中沒(méi)有有源器件（晶體管或放大器），因此不需為探頭供電。無(wú)源探頭一般是最堅(jiān)固、最經(jīng)濟(jì)的探頭，它們不僅使用簡(jiǎn)便，而且使用廣泛。
2.1.2 高阻無(wú)源電壓探頭
從實(shí)際需要出發(fā)，使用最多的是電壓探頭，其中高阻無(wú)源電壓探頭占最大部分。無(wú)源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)1×，10×和100×。在這些無(wú)源探頭中，10×無(wú)源電壓探頭是最常用的探頭。對(duì)信號(hào)幅度是1V峰峰值或更低的應(yīng)用，1×探頭可能要比較適合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信號(hào)混合（幾十毫伏到幾十伏）的應(yīng)用中，可切換1×/10×探頭要方便得多。但是，可切換1×/10×探頭在本質(zhì)上是一個(gè)產(chǎn)品中的兩個(gè)不同探頭，不僅其衰減系數(shù)不同，而且其帶寬、上升時(shí)間和阻抗（R和C）特點(diǎn)也不同。因此，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提供標(biāo)準(zhǔn)10×探頭實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)性能。
2.1.3 低阻無(wú)源電壓探頭
大多數(shù)高阻無(wú)源探頭的帶寬范圍在小于100MHz到500MHz或更高的帶寬之間。而低阻無(wú)源電壓探頭（又稱(chēng)為50歐姆探頭、Zo探頭、分壓器探頭）的頻率特性很好，采用匹配同軸電纜的探頭，帶寬可達(dá)10GHz和100皮秒或更快的上升時(shí)間。這種探頭是為用于50歐姆環(huán)境中設(shè)計(jì)的，這些環(huán)境一般是高速設(shè)備檢定、微波通信和時(shí)域反射計(jì)（TDR）。
2.1.4 無(wú)源高壓探頭
“高壓”是相對(duì)的概念。從探頭角度看，我們可以把高壓定義為超過(guò)典型的通用10×無(wú)源探頭可以安全處理的電壓的任何電壓。高壓探頭要求具有良好的絕緣強(qiáng)度，保證使用者和示波器的安全。
2.2 有源電壓探頭

2.2.1 有源探頭
有源探頭包含或依賴(lài)有源器件，如晶體管。最常見(jiàn)的情況下，有源設(shè)備是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），它提供了非常低的輸入電容，低電容會(huì)在更寬的頻段上導(dǎo)致高輸入阻抗?？梢詮南旅娴腦c公式中看出：

2.2.2 有源FET探頭
有源FET探頭的規(guī)定帶寬一般在500MHz ～4GHz之間。除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻抗未知的測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，而產(chǎn)生負(fù)荷效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)要低得多。另外，由于低電容降低了地線影響，可以使用更長(zhǎng)的地線。
有源FET探頭沒(méi)有無(wú)源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動(dòng)態(tài)范圍一般在±0.6V到±10V之間。
2.2.3 有源差分探頭
差分信號(hào)是互相參考，而不是參考接地的信號(hào)。差分探頭可測(cè)量浮置器件的信號(hào)，實(shí)質(zhì)上它是兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的電壓探頭組成，分別對(duì)地段有良好絕緣和較高阻抗。差分探頭可以在更寬的頻率范圍內(nèi)提供很高的共模抑制比（CMRR）。
2.3 電流探頭
從原理上來(lái)看，用電壓探頭測(cè)得電壓值，除以被測(cè)阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實(shí)際上這種測(cè)量引入的誤差很大，所以一般不采用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測(cè)得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號(hào)電流磁通經(jīng)互感變壓器變換成電壓，再由探頭內(nèi)的放大器放大后送到示波器。
2.3.1 交流電流探頭
交流電流在互感器中，隨著電流方向的變化，產(chǎn)生電場(chǎng)的變化，并感應(yīng)出電壓。交流電流探頭屬于無(wú)源設(shè)備，無(wú)需外接供電。
2.3.2 直流電流探頭
傳統(tǒng)電流探頭只能測(cè)量交流交流信號(hào)，因?yàn)榉€(wěn)定的直流電流不能在互感器中感應(yīng)電流。然而，利用霍爾效應(yīng)，電流偏流的半導(dǎo)體設(shè)備將產(chǎn)生與直流電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電壓。所以，直流電流探頭是一種有源設(shè)備，需要外接供電。
所以電流探頭基本上分成兩類(lèi)：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭通常是無(wú)源探頭，AC/DC電流探頭通常是有源探頭。
2.4 邏輯探頭
使用示波器觀察分析數(shù)字波形的模擬特點(diǎn)時(shí)，需要用到邏輯探頭，為隔離確切地成因，數(shù)字設(shè)計(jì)人員通常需要查看在具體邏輯條件下發(fā)生的特定數(shù)據(jù)脈沖，這要求邏輯觸發(fā)功能。如圖3為邏輯探頭示意圖，可以在大多數(shù)示波器中增加這種邏輯出發(fā)功能。

圖3 邏輯探頭示意圖
2.5 其他探頭
由于示波器的應(yīng)用范圍十分廣泛，所以除了上述的探頭類(lèi)型外還有各種專(zhuān)用探頭，這些專(zhuān)業(yè)探頭根據(jù)其前端傳感器的不同而有不同的功用，下面我們介紹其中的兩種，僅供讀者了解。
光電探頭在原理上是普通電壓探頭與光電轉(zhuǎn)換器件的組合，可直接測(cè)量光器件和光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)。
溫度探頭是普通電壓探頭與溫度傳感器的組合，可直接測(cè)量物體的溫度。溫度探頭屬傳感器探頭的一種，各種傳感器探頭與示波器配合可測(cè)量多種物理量。
3 示波器探頭對(duì)測(cè)量的影響
3.1 負(fù)載效應(yīng)
所謂負(fù)載效應(yīng)就是在被測(cè)電路上接入示波器時(shí)，有時(shí)示波器的輸入電阻會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生影響，致使被測(cè)電路的信號(hào)發(fā)生變化。若負(fù)載效應(yīng)的影響很大，就不能準(zhǔn)確地進(jìn)行波形測(cè)量。若要減小負(fù)載效應(yīng)，就需要將示波器一端的輸入電阻增大。輸入電阻越大，輸入電容越小，負(fù)載效應(yīng)就越小。
在示波器測(cè)量中，另外一種負(fù)載效應(yīng)指的是探頭對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要減輕探頭對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)，不至影響到被測(cè)信號(hào)，因此應(yīng)選擇高輸入阻抗的探頭。探頭的輸入阻抗可以等效為電阻與電容的并聯(lián)。低頻時(shí)（1MHz以下）探頭的負(fù)載主要是阻抗作用；高頻時(shí)（10MHz以上）探頭的負(fù)載主要是容抗作用。為了減輕探頭對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載作用，應(yīng)選擇高阻抗、低容抗的探頭，例如帶寬100MHz用的無(wú)源探頭，它的輸入電阻是1~10Ω，輸入電容是1~10pF。有源探頭的負(fù)載作用優(yōu)于無(wú)源探頭，頻率特性更好。
3.2 阻抗匹配
阻抗是電壓和電流之比，在理想情況下，對(duì)被測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)試時(shí)不應(yīng)影響它的正常工作，測(cè)量值也應(yīng)和未接測(cè)試儀器時(shí)相同。當(dāng)連接儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要考慮阻抗對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響，為了保證儀器之間能夠傳送最大的功率，阻抗應(yīng)該匹配。如果阻抗為純電阻，應(yīng)使輸入阻抗與輸出阻抗的值相等。如果阻抗包含電抗成分應(yīng)使負(fù)載的輸入阻抗與源的輸出阻抗共軛匹配，這時(shí)能夠傳送最大功率。
阻抗匹配的阻抗值通常和使用的傳輸線的特性阻抗值一致。對(duì)于射頻系統(tǒng)，一般采用50Ω阻抗。對(duì)于高阻抗儀器，由于等效并聯(lián)電容的存在，隨著頻率升高，并聯(lián)組合阻抗逐漸變小，將對(duì)被測(cè)電路形式負(fù)載。如1MΩ輸入阻抗，在頻率達(dá)到100MHz時(shí)，等效阻抗只有100Ω左右。因此，高帶寬的示波器一般都采用50Ω輸入阻抗，這樣可以保證示波器與源端的匹配。但是使用50Ω輸入阻抗時(shí)，必須考慮到50Ω輸入阻抗的負(fù)載效應(yīng)比較明顯，此時(shí)最好使用低電容的有源探頭。
3.3 電容負(fù)荷
隨著信號(hào)頻率或轉(zhuǎn)換速率提高，阻抗的電容成分變成主要因素。結(jié)果，電容負(fù)荷成為主要問(wèn)題，特別是電容負(fù)荷會(huì)影響快速轉(zhuǎn)換波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間及波形中高頻成分幅度。
4 示波器探頭的主要技術(shù)指標(biāo)
4.1 帶寬和上升時(shí)間
探頭的帶寬是指導(dǎo)致探頭響應(yīng)輸出幅度下降到70.7%（-3dB）的頻率。上升時(shí)間是指探頭對(duì)步進(jìn)函數(shù)10~90%的響應(yīng)，表明了探頭可以從頭部到示波器輸入傳送的快速測(cè)量轉(zhuǎn)換。大多數(shù)探頭，帶寬與上升時(shí)間乘積接近0.35。在很多情況下，帶寬由脈沖上升時(shí)間驗(yàn)證來(lái)保證最小失真。
4.2 電容
探頭頭部電容指標(biāo)是指探頭探針上的電容，是探頭等效在被測(cè)電路測(cè)試點(diǎn)或被測(cè)設(shè)備上的電容。探頭對(duì)示波器一端也等效成一個(gè)電容，這個(gè)電容值應(yīng)該與示波器電容相匹配。對(duì)10×和100×探頭，這一電容稱(chēng)為補(bǔ)償電容，它不同于探頭頭部電容。下面將繼續(xù)介紹補(bǔ)償電容。

4.3 畸變(Aberration)
畸變是輸入信號(hào)預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會(huì)立即發(fā)生畸變，其表現(xiàn)為所謂的“減幅振蕩”。沒(méi)有規(guī)定極限畸變的高頻探頭可以提供使人完全誤解的測(cè)量。存在畸變可以說(shuō)明嚴(yán)重失真的帶寬和滾降(roll-off)特性。
4.4 衰減系數(shù)
當(dāng)正確接上終端時(shí)，探頭應(yīng)該有恒定的衰減系數(shù)。衰減系數(shù)是輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的比值。某些探頭的可能會(huì)有可以選擇的衰減系數(shù)，典型的衰減系數(shù)是1×、10×和100×。1×檔和10×檔電路如圖4所示，這兩部分電路均由電阻電容組成。

4.5 探頭衰減補(bǔ)償
所謂探頭衰減補(bǔ)償是指當(dāng)示波器和探頭配合使用時(shí)，調(diào)整探頭中的可變電容，以使頻率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。探頭補(bǔ)償意味著在探頭末端和示波器的輸入端之間頻率補(bǔ)償。探頭末端與示波器的輸入端的關(guān)系如圖5所示，調(diào)節(jié)C2可得如下關(guān)系：

圖5 電容探頭補(bǔ)償電路

示波器的輸入電阻雖然只有1MΩ，但是與其并聯(lián)的輸入電容卻根據(jù)機(jī)種的不同而有差異。即使是同一機(jī)種，每個(gè)通道上的輸入電容也不相同，所以，改變了示波器和探頭的組合，相應(yīng)的也要改變探頭的相位補(bǔ)償。
探頭校準(zhǔn)的方法如下：將探頭與探頭校準(zhǔn)的方波信號(hào)輸出端子相連，探頭的特性為最佳狀態(tài)時(shí)，如圖6中(a)所示，若出現(xiàn)(b)，(c)所示的情況，請(qǐng)用改錐調(diào)整探頭上的頻率補(bǔ)償微調(diào)電容器進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖6 探頭校準(zhǔn)示意圖
4.6 額定最大電壓
額定最大電壓由DC + peak AC決定，即輸出電壓的直流值和交流峰值的總和不能超過(guò)示波器的額定電壓最大值，如果超過(guò)這個(gè)額定最大電壓，會(huì)損壞探頭。
4.7 電壓額定值隨頻率的下降
電壓探頭在低頻時(shí)的最大輸入電壓有明確的規(guī)定，隨著頻率的增加輸入電壓會(huì)相應(yīng)降低。對(duì)于高頻探頭必須注意輸入電壓隨頻率的變化，在頻率高于1MHz時(shí)允許的輸入電壓隨頻率的增加而急劇下降。
5 最佳示波器探頭的選擇
探頭的特性和特點(diǎn)中最重要的參數(shù)就是帶寬和輸入阻抗，它們既要與示波器的帶寬和輸入阻抗匹配，又要將對(duì)被測(cè)電路的影響減到最小。因此選擇探頭時(shí)要綜合考慮。
5.1 帶寬和上升時(shí)間
探頭的帶寬或上升時(shí)間要等于或優(yōu)于示波器的帶寬。如果觀察純正弦信號(hào)，探頭帶寬等于被測(cè)信號(hào)頻率的最高值即可；如觀察非正弦信號(hào)，探頭帶寬應(yīng)能容納被測(cè)信號(hào)的基波和最重要諧波分量。為精確地測(cè)量脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間，系統(tǒng)的上升時(shí)間（示波器和探頭之和）應(yīng)該比要測(cè)量的最快的上升時(shí)間快3-5倍。
5.2 阻抗匹配
探頭的輸入阻抗要與所用示波器的輸入阻抗匹配，另外對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載作用最少。對(duì)于低輸入阻抗的示波器，應(yīng)選擇有源探頭或50Ω輸入阻抗的探頭；對(duì)于高輸入阻抗的示波器，應(yīng)選擇×10的探頭。例如示波器的輸入阻抗是1MΩ/10pF,探頭輸入阻抗最好是10MΩ/1pF，這樣的探頭既有10倍的信號(hào)衰減，對(duì)被測(cè)信號(hào)的負(fù)載很輕，又能與示波器輸入阻抗匹配。
5.3 負(fù)載作用
減輕探頭對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載作用。除了選擇輸入阻抗高的探頭外，還有記住探頭輸入阻抗隨頻率成反比例下降。
5.4 時(shí)間延遲的影響
每種探頭對(duì)被測(cè)信號(hào)的延遲時(shí)間存在差異，在進(jìn)行差分測(cè)量以及時(shí)間（或相位）一致性測(cè)量時(shí)，最好使用2個(gè)型號(hào)相同和電纜長(zhǎng)度相等的探頭。
5.5 良好的接地
探頭的額定頻率特性是在同軸系統(tǒng)內(nèi)測(cè)得的結(jié)果。在實(shí)際電路應(yīng)用時(shí)，往往探頭處于非同軸匹配的系統(tǒng)內(nèi)，因此探頭的接地引線要盡量減短，把串聯(lián)電感減到最小。如發(fā)現(xiàn)高阻探頭接地不良，就要考慮使用低阻同軸探頭或者與探頭匹配的適配器、連接器和夾具。
6 示波器探頭使用注意事項(xiàng)
將待測(cè)信號(hào)正確接入示波器是測(cè)試工作的第一步，這里我們主要介紹探頭與被測(cè)電路連接時(shí)的注意事項(xiàng)。
1. 探頭與被測(cè)電路連接時(shí)，探頭的接地端務(wù)必與被測(cè)電路的地線相聯(lián)。否則在懸浮狀態(tài)下，示波器與其他設(shè)備或大地間的電位差可能導(dǎo)致觸電或損壞示波器、探頭或其他設(shè)備。
2. 測(cè)量建立時(shí)間短的脈沖信號(hào)和高頻信號(hào)時(shí)，請(qǐng)盡量將探頭的接地導(dǎo)線與被測(cè)點(diǎn)的位置鄰近。接地導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)引起振鈴或過(guò)沖等波形失真。如圖7所示。

圖7 探頭接地方法示意圖

3. 為避免接地導(dǎo)線影響對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)試，建議使用探頭的專(zhuān)用接地附件。如圖8所示為典型通用電壓探頭所帶有的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試附件。

圖8 帶有標(biāo)準(zhǔn)配件的典型通用電壓探頭（圖片來(lái)源于泰克《探頭ABC》）
4. 為避免測(cè)量誤差，請(qǐng)務(wù)必在測(cè)量前對(duì)探頭進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，探頭衰減補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)原理和方法我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)介紹過(guò)，這里不再贅述。
5. 對(duì)于高壓測(cè)試，要使用專(zhuān)用高壓探頭，分清楚正負(fù)極后，確認(rèn)連接無(wú)誤才能通電開(kāi)始測(cè)量。
6. 對(duì)于兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)都不處于接地電位時(shí)，要進(jìn)行“浮動(dòng)”測(cè)量，也稱(chēng)差分測(cè)量，要使用專(zhuān)業(yè)的差分探頭。
7 總結(jié)
探頭對(duì)示波器測(cè)量至關(guān)重要，所以要求探頭對(duì)探測(cè)的電路影響必須達(dá)到最小，并希望對(duì)測(cè)量值保持足夠的信號(hào)保真度。如果探頭以任何方式改變信號(hào)或改變電路運(yùn)行方式，示波器會(huì)看到實(shí)際信號(hào)的失真結(jié)果，進(jìn)而可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果，或者誤導(dǎo)性的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)以上介紹可知，探頭的選購(gòu)和正確使用有許多值得注意的地方，只有與示波器和被測(cè)電路都匹配良好的探頭才是您該選擇和使用的探頭。
參考文獻(xiàn)
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