如何正確選擇和使用探頭

電子產(chǎn)品日益復(fù)雜，市場對示波器的帶寬和準(zhǔn)確性提出更高要求。這不是購買一臺高檔示波器就能解決的問題，還需搭配適合的探頭和正確的測試方法。本文從探頭的原理出發(fā)，講述如何正確選擇和使用探頭。

認(rèn)識示波器探頭

被測信號不可能直接接入到示波器中，這就需要一個設(shè)備為測試點(diǎn)與示波器之間建立電氣連接。根據(jù)需求不同，這個設(shè)備可以是一個導(dǎo)線，也可能是較為復(fù)雜的電路。這個負(fù)責(zé)勾連測試點(diǎn)與示波器的設(shè)備就是示波器探頭。所以示波器探頭至關(guān)重要，沒有探頭示波器將無法進(jìn)行測量。

圖1

上圖為示波器探頭測量時的示意圖，從上圖可知，示波器一般具有三個典型的部分，探頭頭部、探頭電纜和探頭補(bǔ)償設(shè)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(tǒng)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，可以做到在不移動示波器的前提下，隨意移動探頭頭部，使之可以方便的與測試點(diǎn)接觸。最后的探頭補(bǔ)償設(shè)備，主要是為了盡量消除探頭電纜帶來的負(fù)面影響，從一定程度上保持探頭的測量準(zhǔn)確性。

由探頭的基本結(jié)構(gòu)可知，探頭是不可能被看為一個透明的設(shè)備，一定會有很多性能上的限制，比如探頭電纜和補(bǔ)償設(shè)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。所以探頭會有一些基本的參數(shù)。在此歸納一下：

1、衰減系數(shù)

衰減系數(shù)，是所有探頭都會有的一個參數(shù)，指的是探頭使信號幅度下降的程度。某些探頭可能會有可選擇的衰減系數(shù)。典型的衰減系數(shù)有1×、10×和100×。1×探頭表示不會對信號進(jìn)行衰減。10×則表示信號會被衰減10倍再輸入示波器。1×、10×這些名稱的由來，是因?yàn)橹暗氖静ㄆ鳑]有自動識別探頭衰減系數(shù)和自動調(diào)節(jié)的能力，所以需要通過1×、10×這些名稱來提醒測試者記得要把測量出來的結(jié)果乘以相應(yīng)的倍數(shù)。

2、帶寬

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

圖2

如100MHz探頭就有100MHz帶寬，500MHz探頭就有500MHz帶寬。一些探頭，還會有一個低頻的帶寬頻率，比如一些AC探頭，不能傳遞DC信號，它在低頻段會有一個帶寬參數(shù)。值得一提的是，帶寬指的是-3dB的頻譜，此時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結(jié)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間，該參數(shù)是探頭在階躍信號激勵的輸入下，輸出信號從10%上升至90%所需的時間。這個參數(shù)實(shí)際上是用來進(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間為10ns，則經(jīng)過一個上升時間為3.5ns的探頭，最終輸出的上升時間就大致為：

上升時間退化了5.9%。

如果此時改用0.7ns的探頭，則輸出的上升時間為：

上升時間僅僅退化了0.24%。所以測量時，就需要盡量選擇上升時間遠(yuǎn)小于被測信號上升時間的探頭，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(jī)身和探頭內(nèi)部器件的額定擊穿電壓。一般該項會通過一些安規(guī)規(guī)范來給出，而不是給出單一的電壓，比如一般10×的無源探頭的最大輸入電壓為300VRMS CAT Ⅱ。其中CAT Ⅱ 指的是一類測試場景，300VRMS CAT Ⅱ指的是在這類測試場景下可以測量的最大電壓。而且這個電壓并不是一個恒定值。而是會隨著頻率的變化而變化。一般探頭會給出自己的電壓額定曲線，如下圖所示：

圖3

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(nèi)部電路中的電容。對于一些無源探頭，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情況下測量出來的。對于無源探頭來說，衰減比例越大，探頭的輸入電阻越高。

7、示波器補(bǔ)償范圍

多數(shù)無源探頭都是一種通用的設(shè)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有所差異。探頭為了兼容這些差異，就會自帶一個補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，用來補(bǔ)償不同示波器間的差異。如果補(bǔ)償不足或者補(bǔ)償過度，就會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)錯誤。而這個補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是一定會有一個能夠調(diào)整的范圍的，這個范圍就是示波器補(bǔ)償范圍。一般的無源探頭的示波器補(bǔ)償范圍為10~35pF。

8、電纜長度

每個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。而這段電纜會造成一定的信號傳播延時。例如，1m左右的探頭電纜，大概會有5ns的延時。對于10MHz的信號，這會造成大概20°左右的延時。電纜越長，會導(dǎo)致相位信號延遲越長。而這個延時一般情況下不會對測量造成影響，因?yàn)樵谝欢◣挿秶鷥?nèi)，這個延時并不會跟隨信號頻率變化而變化，所以不會造成群延時的失真。只有在兩個以上通道一起測量時，傳輸延時才會產(chǎn)生影響，特別是當(dāng)電壓探頭與電流探頭一起進(jìn)行功率測量時，不同探頭之間的延時就會造成很大的影響。所以測量之前需要根據(jù)電纜長度來推算大致的延時。如果延時過大，則需要使用示波器內(nèi)的延時校準(zhǔn)功能。

常見探頭種類

常見探頭分類如下圖所示：

圖4 示波器探頭分類

其中無源探頭常見的有1×、10×、100×三種規(guī)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(fù)載效益很小，但是一般都價格昂貴。高壓差分探頭一般適用于對高壓場合的測試，與無源探頭相比，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，無源探頭的地線必須接到市電的地線上，只能測量L或者N與地線之間的電壓，而高壓差分探頭卻可以進(jìn)行任意兩線間的測量。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，還需要考慮一些問題：

1、安全

使用探頭進(jìn)行測量時，最重要的就是安全問題。比如使用無源探頭時，探頭的地線與示波器的地是連接在一起的，當(dāng)示波器安全接地的時候，探頭是安全的。但是當(dāng)示波器沒有安全接地時，探頭的地線就會存在一定的電壓從而給使用者帶來危險。具體情況如圖5所示：

圖5

圖6 示波器接地

由于Y電容的原因，導(dǎo)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，這個電壓會對人體進(jìn)行傷害。所以示波器的測量過程中，一定要保證接地良好，或者采用隔離變壓器進(jìn)行完全的安全隔離，否則有可能會導(dǎo)致使用者觸電。

而且此時如果探頭的地線是接到了一個比較高的電壓上，比如說市電的火線上時，就會導(dǎo)致整個示波器外殼都帶有220V高壓，這時人再觸碰示波器時就會發(fā)生直接觸電，這種情況非常危險，相當(dāng)于直接將手插入市電插排。

圖7

2、連接順序

探頭通過示波器電源線的地線間接接地，而被測系統(tǒng)可能是一個懸浮的系統(tǒng)，為避免危險，地線必須先連接到地上，將示波器與被測系統(tǒng)共地，然后才能將探頭探針點(diǎn)在測試點(diǎn)上。而當(dāng)斷開探頭時，也要先斷開探針，然后再斷開地線。

3、阻抗

使用探頭時，需要考慮與示波器的匹配問題。常見的無源探頭，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，要看說明書上對應(yīng)阻抗的說明，來選擇相應(yīng)的示波器檔位與之匹配。

4、帶寬

當(dāng)使用探頭進(jìn)行測量時，整個系統(tǒng)的帶寬就是由探頭帶寬和示波器帶寬兩部分組成的，其中任何一個帶寬不足，都會導(dǎo)致最終測量結(jié)果不能達(dá)到要求。比如選用一個100M的探頭配套一個500M的示波器，那么帶寬最多也就只有100M左右，這樣就無法發(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(dá)到要求。

5、電壓

選擇探頭時，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(nèi)。這需要測試者根據(jù)測試信號的電壓來選擇探頭。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，則就需要采用無衰減的探頭進(jìn)行測量。

6、地線的影響

傳統(tǒng)的使用習(xí)慣上，示波器的接地方式就是那根長長的接地夾線。這種接地方式，確實(shí)是一種簡單方便的接地方式，但是卻并不是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、?zhǔn)確的接地方式。

圖8 接地夾線示意圖

由于地夾線比較長，其會形成一個寄生電感Lgnd，隨著夾線的增長，這個電感也會增大，而這個回路電感會和示波器探頭的輸入電容Cin產(chǎn)生諧振。這就導(dǎo)致示波器的幅頻特性變得不平坦，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。下圖為使用接地夾時的等效電路。

圖9 接地夾線等效電路圖

下圖為用該等效電路仿真出的頻譜特性曲線：

圖10 頻譜特性曲線

可以看出，在60MHz以上的頻率，幅度已經(jīng)產(chǎn)生了超過3dB的過沖，而到達(dá)100M左右時，過沖到最大幅度。所以如果采用地夾，測量超過60MHz的信號就會產(chǎn)生比較大的失真。正確的方式應(yīng)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。

圖11 接地彈簧示意圖

而且使用彈簧，也會減小接地環(huán)路面積，大大較小空間噪聲的輻射干擾。

7、補(bǔ)償電容的調(diào)節(jié)

對于10×無源探頭，其等效模型如下圖所示。

圖12 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，是無法去除的。由于R2的原因，勢必會產(chǎn)生一個低通濾波器，這就導(dǎo)致探頭無法通過高頻信號。為了提高探頭帶寬，探頭中會加入C2，來進(jìn)行補(bǔ)償。

計算可得該系統(tǒng)的零點(diǎn)：

系統(tǒng)極點(diǎn)為：

只有使得這兩個點(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，所以必須加入一個可調(diào)電容Cadj來進(jìn)行匹配。實(shí)際使用時，需要通過這個可調(diào)電容來將探頭帶寬調(diào)節(jié)平坦。具體方式是將探頭鏈接到示波器的校準(zhǔn)片上，然后通過調(diào)節(jié)探頭補(bǔ)償裝置上的調(diào)節(jié)器，將方波調(diào)節(jié)平坦。下圖為調(diào)節(jié)圖例。當(dāng)屏幕上的波形變?yōu)榉讲〞r，表示探頭調(diào)節(jié)成功。

圖13 探頭補(bǔ)償示意圖

8、探頭的負(fù)載效應(yīng)

前文提到過，探頭都是具有輸入電容和輸入電阻的，這就導(dǎo)致其并不能當(dāng)成一個阻抗無窮大的設(shè)備，其測量時的等效模型如下圖所示。

圖14

根據(jù)電路知識可知，對于直流信號而言，與未接入探頭前相比，Vout會有所下降，因?yàn)楝F(xiàn)在的負(fù)載不再是RL，而是RL與Rin并聯(lián)后的電阻，這勢必小于原來的電阻RL。而對于交流信號而言，還需要在并聯(lián)上一個電容Cin產(chǎn)生的阻抗。而這個阻抗會隨著頻率的增加而逐漸減小。這就是有些情況下探頭點(diǎn)上去，電路無法正常工作的原因。在使用探頭測量時，需要評估探頭的負(fù)載效應(yīng)對被測試系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。比如一般的1×探頭，輸入電容高達(dá)150pF左右，如果接入到一個50Ω系統(tǒng)中，會產(chǎn)生一個40M左右的低通濾波器，如果被測信號接近或者高于這個頻率時，就會導(dǎo)致被測系統(tǒng)工作異常。進(jìn)行高頻測量時，探頭的輸入電容越小，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也就越小。

總結(jié)

探頭在示波器測量系統(tǒng)中，至關(guān)重要。ZDS4000示波器具有很優(yōu)越的各項性能，同時標(biāo)配了性能優(yōu)異的無源探頭，但是探頭的使用上存在著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(zhǔn)確的得到測量結(jié)果。
責(zé)任編輯：wv