示波器探头浅谈

作者：罗德与施瓦茨

欢迎访问e展厅 展厅 6 电子测量仪器展厅 万用表, 示波器, 电子测试仪器, 信号发生器, 信号分析仪, ... 一个理想的探头应当易于连接，具有可靠而安全的触点、不会降低其传输信号的质量或者造成失真、具有线性的相位行为、无衰减、具有无限的带宽、高的抗噪性能以及不会成为信号源的负载。然而，实际上所有这些属性均不可能绝对实现，而且某些情况下离所要求的测量情况还会有很大的差距。实际应用中，需要测量的信号往往难以获取，其阻抗变化可能非常大，整体设置对噪声非常敏感而且依赖于频率，带宽有限，而且信号传播的差异会在多个测量通道之间引起轻微的时间偏差（相位和时间偏差）。 幸运的是，示波器制造商竭尽全力将与探头相关的影响降至最低，使其能够更容易连接到电路，而且性能更可靠。比如，一只手拿着探头而另一只手操作示波器的方式是很难做到的。 因此，R&S RTO系列示波器的有源探头让用户能够利用探头上的一个按钮来控制示波器功能，而且包含许多功能的控制。该测量仪器上还具备一个称为R&S ProbeMeter的集成电压计，可以进行比传统示波器通道更为准确的DC测量。 电压探头以及AC或者AC/DC电流探头是两款基本的探头类型。但是还存在许多专为具体测量任务而设计的其它探头，包括设计用于数字电路逻辑状态故障排解的逻辑探头。环境探头设计为可以在广泛的温度范围下工作，而温度探头可以用来测量组件的温度，并且可以用在很可能出现高温的电路中。另外还有设计用于晶片级探测站中的探头，以及将光信号转换为电信号的光学探头，使得能够在示波器上查看光学信号，某些特定的探头还可用于测量高电压。 示波器探头分类 无源探头 无源探头是最简单而且价格最便宜的探头类型，可以提供大部分必需的测量功能。无源探头本质上由电线和接头所构成，而当需要衰减时，还会具备电阻和电容。无源探头中不存在有源组件，所以无需示波器提供电源也能进行工作，本质上非常耐用。 1X（“单倍”）探头是指探头具有与示波器相同的动态范围，而衰减探头则是通过将信号电平衰减 10 倍、100 倍甚至更高的倍数，从而扩展仪器的测量范围。最为通用的探头是 10X 类型的探头，因为它所造成的负载效应很低，而且提供更大的电压测量范围。10X 探头是许多仪器的典型“标配”探头。 连接至示波器 1M欧姆输入端的 1X 无源高阻抗探头具有很高的灵敏度（小衰减），而将 10:1 的无源高阻抗探头连接到示波器的 1M 欧姆输入端时，可以提供比 1X 探头更宽广的动态范围、更高的输入阻抗以及更低的电容。将 10:1 无源低阻抗探头连接至示波器的 50 欧姆输入端时，其阻抗几乎不随频率变化而变化，但由于其标称阻抗为 500 欧姆，因此会成为信号源的一个明显负载。 当信号幅值相当低时，便需要采用1X探头；但对于中低幅值成分混合的信号，采用1X/10X衰减比可调探头则更为方便。无源探头的典型带宽范围为小于100 MHz ~ 500 MHz。对于50欧姆环境中所遇到的高速（高频）信号，需要采用50欧姆的探头，其带宽可达数千兆赫兹，上升时间可达100 ps甚至更快。 无源探头中包含一个低频调整控件，在探头连接至示波器时使用。低频补偿用于使探头的电容与示波器输入端的电容相匹配。高频调整控件仅适用于50 MHz以上的工作频率。特定供应商用于更高频率的无源探头会在出厂前完成调整，所以仅须执行低频调整。而有源探头则无须执行这些类型的调整，因为它们的属性和补偿均在出厂前便已确定。 有源探头 有源探头的优点包括对信号源的负载很低，探头尖端具有可调的直流偏置（对直流电平上叠加的交流信号具有高分辨率），以及能够被示波器自动识别，无须手动调节。有源探头具有单端型及差分型两种类型。有源探头采用了诸如场效应晶体管等有源元件，其输入电容非常低，对于在大频率范围内保持高输入阻抗来说很有好处。它们还可以用来测量阻抗未知的电路，并且允许使用更长的接地线。由于有源探头的负载极低，所以当连接至高阻抗电路时（无源探头的负载相对来说过大），有源探头是必不可少的。 然而，有源探头中的集成缓冲放大器只能在有限的电压范围内工作，而有源探头的阻抗取决于信号的频率。此外，虽然有源探头可以用来处理上千伏特的电压，但其毕竟是有源器件，机械可靠程度比不上无源探头。 差分探头 尽管可以对各个信号采用单独的探头进行探测并测量出差分信号，但最佳方法仍然是采用差分探头。差分探头利用内置的差分放大器对两个信号进行相减，因此仅占用一个示波器通道，而且还能在比单端型探头更宽广的频率范围内提供足够高的 CMRR（共模抑制比）性能。差分探头可以使用在单端和差分应用中。 电流探头 电流探头通过测量电流流经导体时所产生的电磁通量场来测量电流。然后，电磁通量场会被转换成为对应的电压，以供示波器进行测量和分析。当示波器的测量与数学功能结合使用时，电流探头让用户能够执行各种各样的功率测量。 高压探头 常规用途的无源探头最大适用电压一般在 400V 左右。当电路中遇到比如 20 kV 的高电压时，需要利用专门的探头才能进行安全测量。很明显，在对如此之高的电压进行测量时，安全是首要考虑因素，而这种类型的探头通常会利用十分长的线缆长度来适应高电压。 探头的注意事项 电路负载 探头附加到电路上最基本以及最重要的特征便是负载，而这种负载有阻性、容性和感性负载之分。阻性负载会造成幅值衰减和直流漂移偏置，并且会改变电路的偏压。如果探头的输入电阻与所探测的信号电阻相同的话，那么阻性负载就会变得非常大，因为电路中的一部分电流会流入探头。这样反过来会降低电路与探针接触位置的电压。 实际上，这可能使得本来出现故障的电路正常工作，但更多情况下会导致电路的工作出现错误。为了降低电阻负载所造成的影响，一般会采用探头阻值高于被测电路阻值 10 倍以上的探头进行测量。 电容负载会降低信号的上升速度，降低带宽，以及增加传输延迟，电容负载是由探头尖端的电容所引起的。它引入了频率的测量误差，而且是进行延迟和上升时间测量时的最大影响因素。电容负载是由于探头中的电容所引起的，在高频中表现为一个高通滤波器，从而使得高频信息经地线流走，显著地降低了探头在高频情况下的输入阻抗。因此，需要采用尖端电容较小的探头。 感性负载也会导致测量信号失真，它是由探头尖端至探头接地导线之间的环形部分的电感所引起的。地线中的感性负载连同探头尖端的电容所引起的信号振荡可以通过有效的接地而得到减轻，这样可以提高振荡频率使其超出仪器的带宽。接地导线的长度应尽可能地短，才能减少回路的长度，从而将电感降至最低。较低的电感可以将被测波形顶部的振荡降至最低。 接地 当使用示波器进行测量时，为了获得准确的结果以及保证操作员的安全（尤其是在处理高电压的时候），务必采取正确的接地。仪器必须通过电源线接地，并且切勿在“保护接地”断开的情况下进行操作。当被测设备的信号地通过另一个位置的电源接地而引起接地回路时，这将会导致出现不必要的低频嗡嗡声。常见的处理方式是将信号地与电源地隔离开来，然后在靠近信号针脚的位置与信号地建立连接。 探头选择流程 选择合适（电压）的探头有两个最具决定性的因素：在不失真情况下捕捉波形所需的带宽，以及将电路负载降至最低所需的最小阻抗。规定的示波器带宽仅适用于 50 欧姆的输入阻抗以及有限的输入电压范围。为了保持谐波和波形的完整性，仪器的带宽必须至少是被测的最高脉冲频率的五倍。 对于交流测量来说，所规定的直流阻抗的数值是很小的。随着频率增大，阻抗会变小，而无源探头阻抗变小的程度最为明显。尝试将输入阻抗保持为最高信号频率时信号源阻抗的10倍，有源探头和无源探头之间可以很容易进行选择。这样能够将选择范围缩小至仅有一个或者两个与测量设置要求最为吻合的探头型号。对于微波波段的示波器带宽，肯定是有源探头具有最大优势。 请谨记，10x无源探头的低频阻抗是最高的，而且无源探头一般不会引起直流偏置或者引入噪声。而有源探头可以在数千赫兹的频率下提供恒定阻抗，而且在数百兆赫兹的频率下具有最高阻抗。低阻抗探头可以在高达1 GHz的频率下提供恒定阻抗，尽管能够在某一频率下保持令人满意的恒定阻抗，但较低的阻抗能够避免谐波信号出现失真。 简言之，在信号频率成分高于100 MHz的场合中建议使用有源探头，而且低的输入阻抗会导致较高的谐振频率。与有源探头之间的连接应尽可能短，以确保提供可用的高带宽。此外，如果接地电平不稳定，便需要使用差分探头。 对于无源探头，重要的一点是采用特定仪器所建议使用的探头型号，即便该探头的带宽规范高于使用需要。低输入电容会导致较高谐振频率。接地导线应尽可能地短，以降低地线的电感。测量陡峭上升沿时间的时候必须小心谨慎，因为谐振频率会远远低于系统带宽。探头的阻抗应大约为电路测量点阻抗的十倍，才不致于向电路引入太大的负载。(end)

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