示波器的作用和工作原理解析

第一部分 示波器的介紹

示波器的作用

示波器屬于通用的儀器，任一個硬件工程師都應(yīng)該了解示波器的工作原理并能夠熟練使用示波器，掌握示波器是對每個硬件工程師的基本要求。

示波器是用來顯示波形的儀器，顯示的是信號電壓隨時間的變化。因此，示波器可以用來測量信號的頻率，周期，信號的上升沿/下降沿，信號的過沖，信號的噪聲，信號間的時序關(guān)系等等。

在示波器顯示屏上，橫坐標(biāo)（X）代表時間，縱坐標(biāo)（Y）代表電壓，（注，如果示波器有測量電流的功能，縱坐標(biāo)還代表電流。）還有就是比較少被關(guān)注的-亮度（Z），在TEK的DPO示波器中，亮度還表示了出現(xiàn)概率（它用16階灰度來表示出現(xiàn)概率）。

第二部分? 示波器的分類

示波器一般分為模擬示波器和數(shù)字示波器；在很多情況下，模擬示波器和數(shù)字示波器都可以用來測試，不過我們一般使用模擬示波器測試那些要求實時顯示并且變化很快的信號，或者很復(fù)雜的信號。而使用數(shù)字示波器來顯示周期性相對來說比較強(qiáng)的信號，另外由于是數(shù)字信號，數(shù)字示波器內(nèi)置的CPU或者專門的數(shù)字信號處理器可以處理分析信號，并可以保存波形等，對分析處理有很大的方便。?

1、模擬示波器

模擬示波器使用電子槍掃描示波器的屏幕，偏轉(zhuǎn)電壓使電子束從上到下均勻掃描，將波形顯示到屏幕上，它的優(yōu)點在于實時顯示圖像。

模擬示波器的原理框圖如下：

見上圖所示，被測試信號經(jīng)過垂直系統(tǒng)處理（比如衰減或放大，即我們擰垂直按鈕－volts/div），然后送到垂直偏轉(zhuǎn)控制中去。而觸發(fā)系統(tǒng)會根據(jù)觸發(fā)設(shè)置情況，控制產(chǎn)生水平掃描電壓（鋸齒波），送到水平偏轉(zhuǎn)控制中。

信號到達(dá)觸發(fā)系統(tǒng)，開始或者觸發(fā)“水平掃描”，水平掃描是一個是鋸齒波，使亮點在水平方向掃描。觸發(fā)水平系統(tǒng)產(chǎn)生一個水平時基，使亮點在一個精確的時間內(nèi)從屏幕的左邊掃描到右邊。在快速掃描過程中，將會使亮點的運(yùn)動看起來象一條平滑的曲線。而信號電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)電壓的電極上，效果也是產(chǎn)生了一個移動的亮點，電壓為正將使點向上移動，電壓為負(fù)則向下移動，水平偏轉(zhuǎn)和垂直偏轉(zhuǎn)電壓配合在一起，就能夠在屏幕上顯示信號的波形。在比較高的速度上，亮點能夠掃描過屏幕達(dá)50,0000次/秒，目前最好的通用示波器也不過每秒捕捉40,0000個波形，因此說模擬示波器比數(shù)字示波器的實時性要高，是有貨真價實的。

水平掃描和垂直偏轉(zhuǎn)能使信號的波形圖像能夠顯示到屏幕上，不過觸發(fā)系統(tǒng)也是必不可少的，它不僅僅是讓你抓到你需要的波形，還能夠使圖像穩(wěn)定地顯示到屏幕上，它能使重復(fù)的波形能夠在同一個點開始掃描，在屏幕顯示一個干凈和穩(wěn)定的圖像。下圖顯示了沒有觸發(fā)和觸發(fā)的波形：沒有觸發(fā)的波形比較亂和在閃動，不穩(wěn)定，而觸發(fā)的波形則非常的穩(wěn)定和干凈。

一般來說，使用一個模擬示波器，我們主要需要調(diào)整三個基本方面，也就是上面說的三個部分：

信號的衰減或者放大情況：使用volts/div旋鈕，可以調(diào)整信號在屏幕的范圍里面，垂直大小合適。

時基：使用sec/div旋鈕，調(diào)整每格代表的時間間隔，可以使信號在水平方向放大或者縮小。

觸發(fā)系統(tǒng)：可以調(diào)整觸發(fā)電平，能夠使波形穩(wěn)定顯示，或者尋找到我們需要的波形。

當(dāng)然，調(diào)整亮點的大小和亮底，可以使波形顯示達(dá)到最佳的顯示效果。

2、數(shù)字示波器

一個數(shù)字示波器對波形進(jìn)行采樣，并用AD轉(zhuǎn)換器將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字波形，最后將波形重現(xiàn)到屏幕上面。

數(shù)字示波器的原理圖如下：

當(dāng)我們將探頭接到線路上面時，垂直系統(tǒng)控制調(diào)整信號的衰減和放大，這個和模擬示波器一樣。接著，在采樣系統(tǒng)中對信號進(jìn)行模－數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），連續(xù)的模擬信號變成了離散的點。水平系統(tǒng)的時基決定了采樣率的水平。比如我們的TDS5054的最大采樣速率為5GSa/s，說明它最快的情況下能夠在每秒鐘采樣5G個點。經(jīng)過采樣量化的點被存到存儲器里面，并拼成波形圖。

在數(shù)字示波器中，存儲波形點的長度，通常稱為存儲長度。由于處理要求非?？?，這些存儲器不是通用的SDRAM，而是專用的高速存儲器，價格比較貴，因此比較便宜的示波器都使用標(biāo)準(zhǔn)配置。觸發(fā)系統(tǒng)決定了保存點的開始和結(jié)束點的位置。存儲器里面的波形最后傳送到顯示系統(tǒng)中進(jìn)行顯示。

為了增強(qiáng)示波器的綜合能力，數(shù)據(jù)處理是必須的。另外預(yù)觸發(fā)能夠讓我們能夠看到觸發(fā)前的波形情況。

和模擬示波器一樣，使用數(shù)字示波器來測試，也需要調(diào)整垂直幅度、水平時間間隔和觸發(fā)設(shè)置。

第三部分 采樣方法

對于比較慢的信號，示波器能夠采到足夠的采樣點來顯示波形，而對于比較快的信號（這里的快慢是針對示波器的采樣頻率來講的），示波器不能夠采到足夠的采樣點來顯示波形。因此，示波器采樣一般采用兩種方法來對信號采樣，一是實時采樣，二是等效采樣。

1．實時采樣：

一次按照順序來采集采樣點，然后采用計算方法內(nèi)插一些數(shù)據(jù)，內(nèi)插技術(shù)是評估用一些點來組成波形是否和原來的圖像的靠近程度，一般的內(nèi)插技術(shù)（waveform interpolation）有線性和sin(x)/x兩種。

如果沒有特別表明的情況下，示波器給出的采樣速率都是實時采樣速率，也就是一次采樣的速率。

實時采樣示意圖如上面所示，它在一次采樣中采盡量多的點，而且都是順序采樣的。由于采樣得到的點是離散的點，而我們顯示一般情況下都是顯示波形曲線（當(dāng)然也可以用點顯示模式，但是很少用），這就涉及到一個內(nèi)插的問題，將點還原為曲線，一般有兩種方法：直線連接和曲線模擬，曲線模擬主要使用正弦曲線做擬合，效果分別見下面所示。

2．等效采樣：

每個周期采樣一些點，經(jīng)過多個周期后將這些點拼起來，就是一個完整的圖，不過這要求波形是周期性的，否則誤差會比較大。等效采樣有兩種方式：一種是隨機(jī)采樣，另外一種是順序采樣。

對于那些快速信號，實時采樣可能一次采不到足夠的點，于是就要采用等效采樣，等效采樣只對那些周期性的信號有意義。等效采樣有兩種，一種是隨機(jī)采樣，另外一種是順序采樣，隨機(jī)的示意圖如下：

由于是周期性的信號，信號在每個周期都是一樣的，隨機(jī)采樣就將整個波形分開采樣，隨機(jī)采集信號，經(jīng)過數(shù)個周期，就能夠?qū)⒁粋€完整的波形采集完畢，將這些采集點拼起來，就是一個完整的波形了。而順序采樣，就是按照順序來，第一次采1、2、3點，第二次采4、5、6點等，直到將整個波形采集完畢。

無論是哪種等效采樣方式，它們的結(jié)果就是提高采樣能力，比如一個實時采樣的速率為1GSa/s的示波器，它使用等效采樣的方式來采樣，每次都用最高的實時采樣速率采集數(shù)據(jù)，花了10次才將一個波形周期采集完畢，那么它的等效采樣速率就是10GSa/s，即提高到了10倍。

對于實時采樣，主要表示了單次波形的采集能力，而等效采樣，主要用于周期性的信號的采樣。比如TDS784的實時采樣速率為4GSa/s，而等效采樣速率則高達(dá)250GSa/s。

第四部分 示波器的操作與控制

示波器的主要是三個部分，垂直控制、水平控制和觸發(fā)控制，除此外，很多數(shù)字示波器都提供了“軟鍵”（soft key）控制，通過在示波器的屏幕周圍排放一些鍵，對于屏幕里面的菜單，這些鍵在不同的菜單中對應(yīng)不同的項目，因此定義不固定，故稱之為“軟鍵”。因為有了“軟鍵”，很多功能都可以做了進(jìn)去，比如波形參數(shù)的測試、高級觸發(fā)方式等。

下圖是Agilent的54800系列的控制面板示意圖，它主要分為三個區(qū)，水平控制區(qū)、垂直控制區(qū)和觸發(fā)控制區(qū)，此外還有一些其他的設(shè)置，包括保存和輸入輸出的的部件等。水平控制可以調(diào)整時基的大小，也就是間隔的大小，示波器中，只有一個水平控制鈕，調(diào)整它，所有通道的時間間隔都會變。垂直控制區(qū)，在這里是每個通道都有一個，不過有的示波器為了節(jié)省面板面積，有時候所有通道共用一個垂直控制鈕，通過另外的按鍵去選擇通道。有關(guān)這些細(xì)節(jié)，實踐一下馬上有印象了，這里不做更多的描述。最后一個是觸發(fā)，這是示波器比較關(guān)鍵的部分，因為數(shù)字示波器比起模擬示波器，觸發(fā)的多樣性是它的一大特點，有關(guān)觸發(fā)在下一節(jié)詳細(xì)描述。

第五部分 示波器的觸發(fā)

示波器的觸發(fā)，相對來說，里面的玄機(jī)就多一點。我們最常使用的是邊沿觸發(fā)，比如上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)。

一般示波器的主要觸發(fā)有：

作為熟練的硬件工程師，除了最常用的邊沿觸發(fā)模式外，還應(yīng)該掌握脈沖觸發(fā)中的毛刺觸發(fā)、矮電平觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)，以及單次觸發(fā)等，另外如果需要測試時序的話，掌握邏輯觸發(fā)也是很有用的。

下面以 TDS5054為例，介紹一下脈沖觸發(fā)方式。高級的觸發(fā)設(shè)置在觸發(fā)的菜單中。點擊菜單中TRIG，在下拉菜單中選擇EDGE　SETUP，進(jìn)入如下設(shè)置界面。

1、毛刺Glith觸發(fā)：

選擇了毛刺觸發(fā)后，就可以在右邊選擇毛刺觸發(fā)的類型和寬度，還可以設(shè)置電平等。

2、矮電平Runt觸發(fā)

2-5-3?矮電平觸發(fā)設(shè)置－上下界線設(shè)置示意圖

設(shè)置完畢就可以開始進(jìn)行測試，見上圖。

3、脈沖寬度Width觸發(fā)

在選擇了寬度width后，在下邊選項Polarity選擇脈沖極性，然后在脈沖寬度選項Trig When 中選擇觸發(fā)類型（超出設(shè)置值還是小于設(shè)置值）和設(shè)置數(shù)值，見下圖，再設(shè)定電平，設(shè)置完畢就可以開始測試了。

圖 2-5-4

上面幾種觸發(fā)，在測試總線和控制信號的異常情況方面，比較有用。

4、單次觸發(fā)

單次觸發(fā)并非一個獨立的觸發(fā)方式，它和其他方式一起使用，只是其他方式可以進(jìn)行多次的觸發(fā)，而單次觸發(fā)只會觸發(fā)一次就停止了，并將信號顯示出來，比如對于上電的電壓上升的情況、捕獲很少出現(xiàn)的脈沖毛刺等比較有用。

第六部分?示波器的存儲深度

雖然存儲深度是示波器的四大指標(biāo)之一（分別為帶寬、采樣速率、通道數(shù)和存儲深度），但是最后一個指標(biāo)，廠家通常很少提的，不提并不表示它的重要性，而是他們有意淡化這個問題而已。比如TDS794D的存儲深度，標(biāo)準(zhǔn)配置為每通道50k點。存儲深度和采樣速率的關(guān)系是：

存儲深度＝最快采樣速率×最大采樣速率時限×500

上面公式中的500是指屏幕上面水平方向有10格，每格是50個點，共500個點。最大采樣速率時限是指，示波器在最快的采樣速率情況下，需要多長時間就可以將存儲器存滿。如果超過此時限，就會溢出了，實際上不會溢出，而是采取降低采樣速率的方法。

例如上面的TDS794D，在標(biāo)準(zhǔn)配置的情況下，如果用最大的采樣速率（4GSa/s）采樣時，它的最大采樣速率時限為25ns，此時時基為25/10＝2.5ns/div（注：實際上沒有這個檔，比較說明而已），也就是意味著，如果你將時基調(diào)整到2.5ns/div以上時，采樣速率就要降低。大家平時也可能注意到，當(dāng)我們測試數(shù)兆頻率的信號，示波器左上角顯示的采樣速率會遠(yuǎn)遠(yuǎn)比示波器的最高采樣速率要小。

存儲深度比較大的好處在于，測試比較低速的信號時，能夠以比較高的采樣速率來取樣，也就是能夠看到更多的細(xì)節(jié)，這就是存儲深度的奧妙所在。

圖2-6-2 顯示了Agilent的54600系列示波器深存儲器的效果。54600系列是Agilent的中低端示波器，一般來說，低端示波器的存儲深度都比較低，比如數(shù)k到數(shù)十k，但是它配備了每通道深達(dá)2M的存儲器，它兼顧了示波器長時間捕獲及高速采樣兩個方面，因此能夠看到波形細(xì)節(jié)的可能性大大增大。在圖中，每個周期中疊加了1500脈沖，其中有一個失真，示波器就以高亮度顯示，通過放大該亮點，就可以看出脈沖失真的細(xì)節(jié)來。

值得指出的是，存儲深度和采樣速率都有單通道、雙通道、全通道等的差別。比如794D的采樣速率為4GSa/s，其實它是單通道下面的最高采樣速率，如果開了雙通道，就變成了每個2GSa/s，如果開了三個以上通道，就變成每個通道1GSa/s，同理，在存儲深度也有這樣的情況，就是通道存儲深度。但是這個不是絕對的，有很多例外的情況，如TDS220，廠家標(biāo)的采樣速率是每通道1GSa/s，而不是所有通道的和，同樣部分示波器標(biāo)配的存儲器為50k深度，是所有的通道都是50k，這些細(xì)節(jié)需要查看廠家的手冊才比較明確。還有的694C，也是每個通道采樣速率達(dá)10GSa/s，不是所有通道采樣速率的和。

第七部分?示波器的探頭

要測試，示波器就少不了探頭，探頭四個主要的指標(biāo)為帶寬、輸入電阻、輸入電容和衰減倍數(shù)。探頭的分類如圖2-7-1所示。我們最常用的探頭是測試電壓波形的有源探頭和無源探頭。

圖?2-7-1?通用探頭的分類情況

圖2-7-2顯示了探頭的輸入阻抗和帶寬的關(guān)系，通常來說帶寬高的探頭，它的輸入阻抗普遍要低。比如同樣是有源探頭的P6204和P6249，帶寬分別為1GHz和4GHz，它們的輸入輸入阻抗分別為10M歐姆和20k歐姆。需要注意的是，阻抗會隨著輸入信號的頻率而變化，比如隨著頻率的升高而減低，它不是一個恒定的數(shù)值。

上圖顯示的是一些比較老的探頭的輸入阻抗和帶寬的關(guān)系，現(xiàn)在已經(jīng)有不少提高了。在低端，主要影響的因素是輸入阻抗，而在高端，主要的影響因素不再是輸入阻抗，而是輸入電容。

探頭作為測試信號的連接設(shè)備，其輸入電壓是有限制，因此我們使用探頭時需要特別注意探頭的測試范圍。輸入電壓比較高的探頭，它的帶寬也低，反之，帶寬高的探頭，它的輸入電壓范圍比較小。比如有源探頭P6245的帶寬為1.5GHz，它的輸入電壓范圍僅為±40V，而500MHz帶寬的無源探頭P5050的最大輸入電壓為300V。

探頭特別是有源探頭，都需要校準(zhǔn)的。一般是利用示波器提供標(biāo)準(zhǔn)的1kHz的信號來校準(zhǔn)。圖2-7-3顯示了校準(zhǔn)的效果。

圖?2-7-4?探頭的地線效果示意圖

在測試時，我們盡量要使用短的地線和帶寬高的有源探頭。圖2-7-4顯示了一個比較長的地線（如我們普遍使用探頭夾子，長度大約12cm左右），和探頭一起圍成了一個環(huán)型回路，這個回路，就引入了分布的電感，這個電感的量級在50－200nH左右，它和探頭的輸入電容一起就形成了一個諧振回路，在信號的邊沿處產(chǎn)生振鈴。由于這種人為操作的誤差是不能徹底消除，但是我們可以盡量選擇短地線來減少它。

下面是同一個時鐘，使用兩個不同的探頭做比較的結(jié)果。

示波器：TEK的TDS580C，1GHz帶寬，4GHz采樣速率。

探頭1：無源探頭P6139，500M帶寬，10M歐姆輸入電阻，8pF輸入電容，10倍衰減，地線比較長，加上夾子大約13cm；

探頭2：有源探頭P6245，1.5GHz帶寬，1M歐姆輸入電阻，1pF輸入電容，10倍衰減，短地線，長約3cm）。

波形2-7-5為無源探頭P6139的測試波形，圖2-7-6為有源探頭P6245的測試波形，從兩個波形看出，無源探頭加長地線的結(jié)果是有比較大的過沖，并有輕微的振蕩。另外由于反射波的原因，造成上升沿變陡。因此如果要得到比較準(zhǔn)確的波形，最好選用帶寬高、輸入電容低的有源探頭，并使用短地線，如果圖方便使用長地線，只會帶來更大的誤差。

圖?2-7-5?無源探頭P6139的測試波形圖

圖?2-7-6?有源探頭P6245的測試波形圖

示波器因為有探頭的存在而擴(kuò)展了示波器的應(yīng)用范圍，使得示波器可以在線測試和分析被測電子電路，如下圖：

圖1示波器探頭的作用

探頭的選擇和使用需要考慮如下兩個方面：

其一：因為探頭有負(fù)載效應(yīng)，探頭會直接影響被測信號和被測電路；

其二：探頭是整個示波器測量系統(tǒng)的一部分，會直接影響儀器的信號保真度和測試結(jié)果

一、探頭的負(fù)載效應(yīng)
當(dāng)探頭探測到被測電路后，探頭成為了被測電路的一部分。探頭的負(fù)載效應(yīng)包括下面3部分：
1. 阻性負(fù)載效應(yīng)；
2. 容性負(fù)載效應(yīng)；
3. 感性負(fù)載效應(yīng)。

圖2探頭的負(fù)載效應(yīng)

阻性負(fù)載相當(dāng)于在被測電路上并聯(lián)了一個電阻，對被測信號有分壓的作用，影響被測信號的幅度和直流偏置。有時，加上探頭時，有故障的電路可能變得正常了。一般推薦探頭的電阻R>10倍被測源電阻，以維持小于10%的幅度誤差。

圖3探頭的阻性負(fù)載

容性負(fù)載相當(dāng)于在被測電路上并聯(lián)了一個電容，對被測信號有濾波的作用，影響被測信號的上升下降時間，影響傳輸延遲，影響傳輸互連通道的帶寬。有時，加上探頭時，有故障的電路變得正常了，這個電容效應(yīng)起到了關(guān)鍵的作用。一般推薦使用電容負(fù)載盡量小的探頭，以減小對被測信號邊沿的影響。

圖4探頭的容性負(fù)載

感性負(fù)載來源于探頭地線的電感效應(yīng)，這地線電感會與容性負(fù)載和阻性負(fù)載形成諧振，從而使顯示的信號上出現(xiàn)振鈴。如果顯示的信號上出現(xiàn)明顯的振鈴，需要檢查確認(rèn)是被測信號的真實特征還是由于接地線引起的振鈴，檢查確認(rèn)的方法是使用盡量短的接地線。一般推薦使用盡量短的地線，一般地線電感=1nH/mm。

圖5探頭的感性負(fù)載

二、探頭的類型
示波器探頭大的方面可以分為：無源探頭和有源探頭兩大類。無源有源顧名思義就是需不需要給探頭供電。
無源探頭細(xì)分如下：
1. 低阻電阻分壓探頭；
2. 帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭（最常用的無源探頭）；
3. 高壓探頭

有源探頭細(xì)分如下：
1. 單端有源探頭；
2. 差分探頭；
3. 電流探頭

最常用的高阻無源探頭和有源探頭簡單對比如下：

表1有源探頭和無源探頭對比

低阻電阻分壓探頭具備較低的電容負(fù)載（<1pf)，較高的帶寬（>1.5GHz），較低的價格，但是電阻負(fù)載非常大，一般只有500ohm或1Kohm，所以只適合測試低源阻抗的電路，或只關(guān)注時間參數(shù)測試的電路。

圖6低輸入電阻探頭結(jié)構(gòu)

帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭是最常用的無源探頭，一般示波器標(biāo)配的探頭都是此類探頭。帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭具備較高的輸入電阻（一般1Mohm以上），可調(diào)的補(bǔ)償電容，以匹配示波器的輸入，具備較高的動態(tài)范圍，可以測試較大幅度的信號（幾十幅以上），價格也較低。但是不知之處是輸入電容過大（一般10pf以上），帶寬較低（一般500MHz以內(nèi)）。

圖7常用的無源探頭結(jié)構(gòu)

帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭有一個補(bǔ)償電容，當(dāng)接上示波器時，一般需要調(diào)整電容值（需要使用探頭自帶的小螺絲刀來調(diào)整，調(diào)整時把探頭連接到示波器補(bǔ)償輸出測試位置），以與示波器輸入電容匹配，以消除低頻或高頻增益。下圖的左邊是存在高頻或低頻增益，調(diào)整后的補(bǔ)償信號顯示波形如下圖的右邊所示。

圖8無源探頭的補(bǔ)償

高壓探頭是帶補(bǔ)償?shù)臒o源探頭的基礎(chǔ)上，增大輸入電阻，使得衰減加大（如：100:1或1000:1等)。因為需要使用耐高壓的元器件，所以高壓探頭一般物理尺寸較大。

圖9高壓探頭的結(jié)構(gòu)

三、有源探頭
我們先來觀察一下用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測試1ns上升時間階躍信號的影響。使用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個1ns的階躍信號，通過測試夾具后，使用SMA電纜直接連接到一個1.5GHz帶寬的示波器上，這樣示波器上會顯示一個波形（如下圖中的蘭色信號），把這個波形存為參考波形。然后使用探頭點測測試夾具去探測被測信號，通過SMA直連的波形因為受探頭負(fù)載的影響而變成黃色的波形，探頭通道顯示的是綠色的波形。然后分別測試上升時間，可以看出無源探頭和有源探頭對高速信號的影響。

圖10無源探頭和有源探頭對被測信號和測量結(jié)果的影響

具體測試結(jié)果如下：
使用1165A 600MHz無源探頭，使用鱷魚嘴接地線：受探頭負(fù)載的影響，上升時間變?yōu)椋?.9ns；探頭通道顯示的波形存在振鈴，上升時間為：1.85ns;
使用1156A 1.5GHz有源探頭，使用5cm接地線：受探頭負(fù)載的影響較小，上升時間仍為：1ns；探頭通道顯示的波形與原始信號一致，上升時間仍為：1ns。
單端有源探頭結(jié)構(gòu)圖如下，使用放大器實現(xiàn)阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高（一般達(dá)100Kohm以上），而輸入電容較小（一般小于1pf)，通過探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm輸入阻抗。有源探頭帶寬寬（現(xiàn)在可達(dá)30GHz），而負(fù)載小，但是價格相對較高（一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價格的10%左右)，動態(tài)范圍較小（這個需要注意，因為超過探頭動態(tài)范圍的信號，不能正確測試。一般動態(tài)范圍5V左右），比較脆弱，使用需小心。

圖11有源探頭結(jié)構(gòu)

差分探頭結(jié)構(gòu)圖如下，使用差分放大器實現(xiàn)阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高（一般達(dá)50Kohm以上），而輸入電容較?。ㄒ话阈∮?pf)，通過差分探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm 輸入阻抗。差分探頭帶寬非常寬（現(xiàn)在可達(dá)30GHz），負(fù)載非常小，具有較高共模抑制比，但是價格相對較高（一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價格的10%左右)，動態(tài)范圍也較小（這個需要注意，因為超過探頭動態(tài)范圍的信號，不能正確測試。一般動態(tài)范圍3V左右），比較脆弱，使用需小心。
差分探頭適合測試高速差分信號（測試時不用接地），適合放大器測試，電源測試，適合虛地測試等應(yīng)用。

圖12差分探頭結(jié)構(gòu)
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電流探頭也是有源探頭，利用霍爾傳感器和感應(yīng)線圈實現(xiàn)直流和交流電流的測量。電流探頭把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，示波器采集電壓信號，再顯示成電流信號。電流探頭可以測試幾十毫安到幾百安培的電流，使用時需要引出電流線（電流探頭是把導(dǎo)線夾在中間進(jìn)行測試的，不會影響被測電路）。

電流探頭在測試直流和低頻交流時的工作原理：
當(dāng)電流鉗閉合，把一通有電流的導(dǎo)體圍在中心時，相應(yīng)地會出現(xiàn)一個磁場。這些磁場使霍爾傳感器內(nèi)的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在霍爾傳感器的輸出產(chǎn)生一個電動勢。電流探頭根據(jù)這個電動勢產(chǎn)生一個反向（補(bǔ)償）電流送至電流探頭的線圈，使電流鉗中的磁場為零，以防止飽和。電流探頭根據(jù)反向電流測得實際的電流值。用這個方法，能夠非常線性的測量大電流，包括交直流混合的電流。

圖13電流探頭測試直流和低頻時的工作原理

電流探頭在測試高頻時的工作原理：
隨著被測電流頻率的增加，霍爾效應(yīng)逐漸減弱，當(dāng)測量一個不含直流成分的高頻交流電流時，大部分是通過磁場的強(qiáng)弱直接感應(yīng)到電流探頭的線圈。此時，探頭就像一個電流變壓器，電流探頭直接測量的是感應(yīng)電流，而不是補(bǔ)償電流，功放的輸出為線圈提供一個低阻抗的接地回路。

圖14電流探頭測試高頻時的工作原理

電流探頭在交叉區(qū)域時的工作原理：
當(dāng)電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區(qū)域時，部分測量是通過霍爾傳感器實現(xiàn)的，另一部分是通過線圈實現(xiàn)的。

圖15電流探頭交叉區(qū)域的工作原理

四、有源探頭附件
現(xiàn)代的高帶寬有源探頭都采用分離式的設(shè)計方法，即：探頭放大器與探頭附件部分分開。這樣設(shè)計的好處是：
1、支持更多的探頭附件，使得探測更加的靈活；
2、保護(hù)投資，最貴的是探頭放大器（一個探頭放大器可以支持多種探測方式，以前需要幾個探頭來實現(xiàn)）；同時探頭附件保護(hù)探頭放大器（探頭附件即使損壞，價格也相對便宜）；
3、這種設(shè)計方式容易實現(xiàn)高帶寬。

圖16探頭附件

這些探頭附件，主要包括以下幾種：
1、點測探頭附件（包括：單端點測和差分點測）；
2、焊接探頭附件（包括：單端焊接和差分焊接，分離式的ZIF焊接）；
3、插孔探頭附件；
4、差分SMA探頭附件（示波器一般直接支持SMA連接，但是如果被測信號需要上拉如HDMI，則必須使用SMA探頭附件）。

探頭附件的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：
1、在探頭附件尖端部分會有一對阻尼電阻（一般82ohm），這對阻尼電阻的作用是消除探頭附件尖端部分的電感的諧振影響；
2、探頭尖端部分的后面是25Kohm的電阻，這個電阻決定了探頭的輸入阻抗（直流輸入阻抗即電阻：單端25Kohm，差分50Kohm），這個電阻使得被測信號傳輸?shù)教筋^放大器部分的功率是非常小的，不至于對被測信號有較大影響。
3、25Kohm的電阻后面是同軸傳輸線部分，這個傳輸線負(fù)責(zé)把小信號傳輸?shù)椒糯笃?。這個傳輸線的長度可以很長，也可以很短，中間可以加衰減器，也可以加耦合電容。
4、同軸傳輸線連接到放大器，放大器是50ohm匹配的（差分100ohm匹配）。
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圖17有源探頭附件的結(jié)構(gòu)

有源探頭為了保持探頭的精確度，需要工作在恒溫狀態(tài)，所以探頭放大器不能放置到高低溫箱里進(jìn)行高低溫環(huán)境下被測電路板的測試。從探頭附件結(jié)構(gòu)中可見中間的50ohm傳輸線的長短不影響探測，所以可以用很長的同軸電纜或擴(kuò)展同軸電纜，讓這個同軸電纜伸進(jìn)高低溫箱里進(jìn)行高低溫?fù)Q進(jìn)下被測電路板的測試。如下圖是N5450A擴(kuò)展電纜，使用N5381A焊接探頭附件，可以工作在-55°到150°溫度范圍。

圖18高低溫探頭結(jié)構(gòu)原理

使用N5450A擴(kuò)展電纜和N5381A探頭附件，使用1169A 12GHz探頭放大器，在-55°和150°環(huán)境下的頻響曲線如下圖所示，可見能夠滿足高速信號測試的要求。

圖19高低溫探頭在高低溫下的頻響

五、探頭及附件準(zhǔn)確度驗證
下圖是一個例子：被測信號是一個頻率456MHz，邊沿時間約65ps的時鐘信號，分別使用不同類型的探頭和探頭附件的測試結(jié)果。
A圖是使用12GHz的1169A差分探頭和N5381A 12GHz焊接探頭附件的測試結(jié)果，幾乎完全復(fù)現(xiàn)被測信號；
B圖是使用500MHz的無源探頭的測試結(jié)果，顯示的信號完全失真；
C圖是使用12GHz的1169A差分探頭和較長的測試引線的測試結(jié)果，顯示的信號出現(xiàn)很大的過沖；
D圖是使用4GHz的1158A單端探頭和較長的測試引線的測試結(jié)果，顯示的信號幾乎是正弦波，失真較大。

圖20不同探頭附件測試結(jié)果對比

從圖中可見探頭和探頭附件對測試精確度的影響是非常大的，是我們測試高速信號應(yīng)該重點注意的內(nèi)容之一。那我們應(yīng)該如何驗證探頭和探頭附件呢？
驗證探頭和探頭附件需要使用一臺脈沖碼型發(fā)生器（如:81134A，3.35GHz速率，60ps邊沿的脈沖碼型發(fā)生器），如果示波器自帶高速信號輸出功能，也可以使用示波器的這個輔助輸出口代替脈沖碼型發(fā)生器（如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以發(fā)一個高速時鐘：456MHz頻率，約65ps邊沿）。另外，需要同軸電纜和測試夾具（Infiniium示波器配置的探頭校準(zhǔn)夾具可以作為探頭和探頭附件驗證測試夾具）。測試夾具的外表是地(Ground)，里面走線是信號(Signal)，如下圖所示。使用時，通過同軸電纜把一端接到脈沖碼型發(fā)生器或示波器的輔助輸出AUX OUT端口，另外一端通過適配器連接到示波器的通道1上。

圖21探頭驗證夾具

然后把被驗證的探頭連接到通道2上，探頭通過探頭附件可以接觸到測試夾具的信號和地（如果是差分探頭，那么把+端連接到測試夾具的信號線，把-端連接到測試夾具的地上）。
1、如果探頭不接觸信號線，則屏幕上會出現(xiàn)一個原始波形，存為參考波形；
2、當(dāng)用探頭探測信號線時，通道1的波形會發(fā)生變化，這個變化后的波形就是被探頭和探頭附件影響后的被測信號；
3、這時，連接探頭的通道2會出現(xiàn)一個波形，這個波形是探頭測試到的波形；
4、通過對比參考波形，通道1的波形，和連接探頭的通道2的波形，就可以直觀的看出或通過測試參數(shù)讀出三者的差別，可以驗證探頭和探頭附件的影響。

圖22探頭驗證連接和原理

下圖是實際驗證的一個例子，圖A把示波器的AUX OUT通過同軸電纜連接到測試夾具，測試夾具的另一端通過SMA-PBNC適配器連接到示波器的一個通道上（此例連接到通道3），把探頭連接到通道1上，此時調(diào)整屏幕上的波形，使得出現(xiàn)一個邊沿階躍波形，如圖C所示，并把此波形存為參考波形。如圖B把被驗證探頭和附件點測到測試夾具上，如圖D所示，屏幕上出現(xiàn)3個波形，蘭色的是參考波形，綠色的是受探頭影響后的被測波形，黃色的是探頭顯示的波形，通過測試上升時間參數(shù)，過沖參數(shù)等，可確認(rèn)探頭和探頭附件的性能。

圖23探頭驗證實例

第八部分? 示波器在使用時要避免的錯誤

在理想情況下，所有探頭都應(yīng)該是一條不會對被測設(shè)備產(chǎn)生任何干擾的導(dǎo)線，當(dāng)連接到您的電路時，具有無窮大的輸入電阻，而電容和電感為零。這樣將會精確復(fù)制被測信號。但現(xiàn)實情況是，探頭會給電路帶來負(fù)載效應(yīng)。探頭上的電阻、電容和電感元件可能改變被測電路的響應(yīng)。 每個電路都不盡相同，它們有自己的電氣特性。因此，每次探測設(shè)備時，都需要考慮探頭的特性并選擇對測量影響最小的探頭?？紤]的范圍包括從示波器輸入端通過電纜到被測設(shè)備上特定連接點的完整連接，也包括用于連接到測試點的任何附件或附加導(dǎo)線和焊接。 了解在測試中可能遇到的錯誤，以及如何通過更好的操作改進(jìn)測量。探頭的電氣特性會影響測量結(jié)果和電路的工作。采取措施確保這些影響在可接受的范圍內(nèi)，是成功測量的關(guān)鍵步驟。在使用示波器時，常見的錯誤有以下七種：? ? 錯誤 1沒有校準(zhǔn)探頭? 探頭在出廠的之后都進(jìn)行過校準(zhǔn)，但它們沒有針對示波器前端進(jìn)行校準(zhǔn)。如果它們未在示波器輸入端上進(jìn)行校準(zhǔn)，那么就無法得到正確的測量結(jié)果。?

有源探頭? 如果有源探頭沒有針對示波器進(jìn)行校準(zhǔn)，在測試時將看到垂直電壓測量結(jié)果和上升沿時序（以及可能的一些失真）出現(xiàn)差異。大多數(shù)示波器具有參考或輔助輸出功能，還配有操作指南來引導(dǎo)工程師完成探頭校準(zhǔn)。?

圖 1：發(fā)生器輸出和探測到的信號? 圖 1 顯示了通道 1（黃色跡線）上的 SMA 電纜和適配器輸入到示波器的 50 MHz 信號。綠色跡線是通過通道 2 上的有源探頭輸入到示波器的同一信號。請注意，通道1 上的發(fā)生器輸出為 1.04 Vpp（伏特峰峰值），通道 2 上探測到的信號為 965 mV （毫伏）。另外，通道 1 與通道 2 的偏移高達(dá) 3 ms（毫秒），所以上升時間根本不能排成一行。 ? 無源探頭? 可以調(diào)節(jié)探頭的可變電容，使補(bǔ)償與正在使用的示波器輸入完美匹配。大多數(shù)示波器都有可以用于校準(zhǔn)或參考的方波輸出。探測這個連接，檢查波形是否為方形。根據(jù)需要調(diào)整可變電容，以消除所有下沖或過沖。

圖 2：經(jīng)過幅度和偏移校準(zhǔn)后? 如果校準(zhǔn)了這個探頭，結(jié)果將大為改善?？梢栽趫D 2 中看到經(jīng)過適當(dāng)幅度和偏移校準(zhǔn)后的結(jié)果。幅度現(xiàn)在改善為972 mVpp，偏移得到了糾正，兩個上升時間保持一致。 ? 錯誤 2 增加探頭負(fù)載效應(yīng)? 只要將探頭連接到示波器并將它與待測設(shè)備接觸，探頭就會成為電路的一部分。探頭對待測設(shè)備施加的電阻、電容和電感負(fù)載效應(yīng)會影響工程師在示波器屏幕上看到的信號。這些負(fù)載效應(yīng)可能會改變被測電路的工作狀態(tài)。了解這些負(fù)載效應(yīng)，有助于工程師避免為特定的電路或系統(tǒng)選擇錯誤探頭。探頭具有電阻、電容和電感特性，如圖3 所示。

圖 3：探頭的基本電路? 為了接觸到周圍環(huán)境過于狹小的探測點，可能需要想方設(shè)法添加長引線或電線。但是，為探頭添加附件或探針會降低帶寬、增加負(fù)載效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致頻率響應(yīng)不再平坦。?? 使用盡量短的引線來保持探頭的帶寬和精度。通常，探針的輸入線或引線越長，帶寬減小得就越大。較窄帶寬的測量可能不會受到太大影響，但在進(jìn)行較寬帶寬的測量時，特別是在1 GHz 以上時，需要謹(jǐn)慎選擇使用的探針和附件。隨著探頭帶寬降低，您將失去測量快速上升時間的能力。圖 4 演示了隨著附件長度的增加，示波器顯示的上升時間是如何變慢的。為了進(jìn)行最準(zhǔn)確的測量，最好使用盡量短的探針。

圖 4：不同的探頭引線長度對應(yīng)的探頭負(fù)載效應(yīng) 另外，最好要使用較短的接地引線，因為它們越長，引入的電感就越多。保持接地線盡量短并盡量靠近系統(tǒng)接地點，以便確?？芍貜?fù)和準(zhǔn)確的測量。 技巧：如果必須在探針上添加導(dǎo)線才能接觸到難以到達(dá)的探測點，那么最好為探針添加一個電阻，以減弱所添加的導(dǎo)線引起的諧振。添加長引線時，您可能無法解決帶寬限制問題，但可以將頻率響應(yīng)變平坦。為了確定將要使用的電阻大小，可以探測一個已知方波，例如示波器上提供的參考方波。如果電阻設(shè)置正確，您將會看到一個干凈的方波（除了其帶寬可能受限之外）。如果信號發(fā)生振鈴，請增加電阻的大小。單端探頭只需要在探針處增加一個電阻。如果您使用的是差分探頭，請為每根引線添加一個電阻。

圖 5：在探針上增加一個電阻，可以克服長探頭連接所引起的諧振，減少振鈴和過沖。但是，它不能解決由于添加引線導(dǎo)致的帶寬限制? ? 錯誤 3? 沒有充分利用您的差分探頭? 許多人認(rèn)為只有在探測差分信號時才使用差分探頭。在探測單端信號時，是否也可以使用差分探頭？其實也是可以的。如果使用的好，這將為測試節(jié)省大量時間和金錢，并提高測量的準(zhǔn)確性。最大限度地利用差分探頭，獲得盡量最好的信號保真度。 差分探頭可以進(jìn)行與單端探頭相同的測量，并且由于差分探頭在兩個輸入端上有共模抑制，所以差分測量結(jié)果的噪聲大為減少。這使您可以看到被測設(shè)備信號的更好表示，而不會被探測所增加的隨機(jī)噪聲誤導(dǎo)。 圖 6 中的藍(lán)色單端測量信號和圖7 中的紅色差分測量信號。藍(lán)色的單端測量結(jié)果與紅色的差分測量結(jié)果相比，噪聲要多得多，因為單端探頭缺少共模校正功能。?

圖 6：單端測量

圖 7：差分測量 ? 錯誤 4 選擇了錯誤的電流探頭? 大電流和小電流測量需要捕獲的細(xì)節(jié)并不相同。工程師要知道為應(yīng)用選擇哪種電流探頭更合適，以及使用錯誤的探頭可能會遇到哪些麻煩。 ? 大電流測量 如果使用鉗形探頭測量大電流（10A - 3000A），那么待測設(shè)備必須足夠小，使鉗形探頭能夠夾住它。如果設(shè)備太大使得鉗形探頭無法夾住，那么工程師可能會想辦法在探頭鉗夾上添加額外的導(dǎo)線，但這會改變被測設(shè)備的特性。更好的辦法是使用合適的工具。 最好的解決方案是使用具有柔性回路探頭前端的大電流探頭。可以將該柔性回路纏繞到任何設(shè)備上。這種探頭叫做Rogowski 線圈。它可以讓工程師在不添加未知特性元器件的情況下探測設(shè)備，使測量結(jié)果保持高度的信號完整性。它們還使工程師能夠測量從mA 級到數(shù)百 kA 的大電流。請注意，它們只測量交流電流，所以直流分量將被隔離。它們的靈敏度也低于某些電流探頭。這對于大電流測量來說通常不是問題。但是在測量小電流時，靈敏度和查看直流分量的能力就變得很重要。請記住，對一種測量有效的方式并不一定適用于另一種測量。?

圖 8：纏繞到元器件上的 Rogowski 探針 ? 小電流測量? 如果測量電池供電設(shè)備的電流，則動態(tài)范圍會有很大差異。如果電池供電設(shè)備處于空閑狀態(tài)或僅處理少量后臺任務(wù)，其電流峰值會很小。當(dāng)設(shè)備切換到更為活躍的狀態(tài)時，電流峰值會大幅提高。使用垂直標(biāo)度較大的示波器設(shè)置，工程師可以測量大信號，但小電流信號將被測量噪聲掩蓋。另一方面，如果您使用較小的垂直標(biāo)度設(shè)置，那么大信號會削波，測量結(jié)果也將失真并失效。 選擇的電流探頭應(yīng)該不僅能夠測量從 μA 到A 的寬量程，還可以使用多個放大器同時查看大小電流偏差。探頭中的兩個可變增益放大器允許您設(shè)置放大視圖以查看小電流波動，還可以縮小視圖以同時查看大電流尖峰（參見圖9）。?

圖 9：配有兩個可變增益放大器的電流探頭讓您可以一次同時查看大小電流偏差 ? 錯誤 5 在紋波和噪聲測量期間會錯誤地處理直流偏置? 直流電源上的紋波和噪聲是由較大直流信號上的小交流信號形成的。當(dāng)直流偏置較大時，可能需要在示波器上使用較大的每格電壓設(shè)置才能在屏幕上顯示信號。與小交流信號相比，這樣做會降低測量的靈敏度并增加噪聲。這意味著在測試時無法獲得信號交流部分的準(zhǔn)確表示。 如果使用隔直流電容器來解決這個問題，那么將不可避免地阻隔部分低頻交流內(nèi)容，使工程師無法觀察到信號在經(jīng)過設(shè)備上的元器件時發(fā)生的變化。 使用具有較大偏置功能的電源探頭，可以將波形置于屏幕中間，而無需移除直流偏置。這樣可以讓整個波形都顯示在屏幕上，同時保持垂直標(biāo)度較小且處于放大狀態(tài)。通過這些設(shè)置，還可以查看瞬態(tài)、紋波和噪聲的細(xì)節(jié)。 ? 錯誤 6 未知的帶寬限制? 在進(jìn)行重要測量時，務(wù)必選擇具有足夠帶寬的探頭。帶寬不足會使信號失真，使工程師很難做出明智的工程測試或設(shè)計決定。 ? 普遍接受的帶寬計算公式為：評測從 10％ 到90％ 的上升沿時，帶寬乘以上升時間等于 0.35。? BW x Tr = 0.35 值得注意的是，整個系統(tǒng)帶寬也是需要考慮的重要因素。探頭和示波器的帶寬都要考慮，從而確定系統(tǒng)帶寬。計算系統(tǒng)帶寬的公式如下所示。

例如，假設(shè)示波器和探頭帶寬均為 500 MHz。使用上面的公式可知，系統(tǒng)帶寬將為353 MHz。可以看到，與探頭和示波器的兩個單獨帶寬相比，系統(tǒng)帶寬大大降低。 ? 現(xiàn)在，如果探頭帶寬僅為300 MHz，示波器帶寬仍為500 MHz，那么應(yīng)用上述公式，系統(tǒng)帶寬進(jìn)一步降至 257 MHz。 ?? 錯誤 7 被掩蓋的噪聲影響? 探頭和示波器的噪聲可能會導(dǎo)致被測設(shè)備的噪聲顯得更大。為工程師的應(yīng)用選擇具有合適衰減比的探頭，將會減小探頭和示波器所添加的噪聲。因此，工程師就能夠獲得更準(zhǔn)確的信號，更清晰地查看被測設(shè)備的情況。?

圖 10：使用 1:1 和 10:1 探頭測得的 50mVp-p 正弦波? 許多探頭制造商將探頭噪聲描述為等效輸入噪聲（EIN），并以Vrms 為單位表示。較高的衰減比使您可以測量較大的信號，但缺點是示波器將檢測到這些比率并同時放大信號及其噪聲。為了了解這一效應(yīng)的實際結(jié)果，圖10 中的綠色跡線顯示了使用 10:1 探頭放大后的噪聲。

編輯：黃飛

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