示波器那些事兒--之探頭

※什么是探頭？

示波器探頭就是把信號(hào)源連接到示波器輸入上的某類設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)測(cè)量需求，這一連接可能會(huì)非常簡(jiǎn)單，如一條長(zhǎng)一點(diǎn)的導(dǎo)線；也可能非常復(fù)雜，如使用有源差分探頭。

但無論怎樣，在處理示波器探頭的實(shí)際特點(diǎn)時(shí)，重要的一點(diǎn)是記住探頭就是傳感器。大多數(shù)示波器探頭是電壓傳感器，也就是說探頭傳感和探測(cè)電壓信號(hào)，把電壓信號(hào)傳送到示波器輸入。

※探頭的重要性

探頭對(duì)示波器測(cè)量至關(guān)重要，在被測(cè)信號(hào)和示波器的輸入通道之間必須有某類電子連接，也就是某類探頭。

另外，探頭對(duì)測(cè)量質(zhì)量也非常關(guān)鍵，把探頭連接到電路上可能會(huì)影響電路操作，示波器只能顯示和測(cè)量探頭傳送到示波器輸入上的信號(hào)。因此對(duì)所探測(cè)的電路影響必須達(dá)到最小，并對(duì)希望的測(cè)量保持足夠的信號(hào)保真度。如果探頭不能保持信號(hào)保真度，如果它以任何方式改變信號(hào)或改變電路的運(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)而會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果或誤導(dǎo)性的測(cè)量結(jié)果。

※理想的探頭與實(shí)際的探頭

在理想的情況下，探頭應(yīng)該具備：

●連接容易、方便：建立到測(cè)試點(diǎn)的物理連接是探測(cè)的關(guān)鍵要求之一，理想的探頭應(yīng)能夠容易、方便的進(jìn)行物理連接。對(duì)微型電路，如高密度表面封裝技術(shù)（SMT），通過微型探頭頭部及為SMT設(shè)備設(shè)計(jì)的各種探頭尖端適配器可以提高連接的容易性和方便性；在電力應(yīng)用中，則要求使用具有更高安全余量、在物理上更大的探頭，例如高壓探頭、夾子式電流探頭等。從這些物理連接實(shí)例中，可以看出并沒有一種理想的探頭規(guī)格和配置可以適用于所有應(yīng)用，正因?yàn)槿绱?，?huì)有各種探頭規(guī)格和配置的出現(xiàn)，以滿足各種應(yīng)用的物理連接要求。

●絕對(duì)的信號(hào)保真度：理想的探頭應(yīng)以絕對(duì)的信號(hào)保真度，把任何信號(hào)從探頭尖端傳送到示波器輸入上，換句話說，探頭尖端上發(fā)生的信號(hào)應(yīng)逼真的復(fù)現(xiàn)在示波器輸入上。為實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的保真度，從探頭尖端到示波器輸入的探頭電路必須擁有零衰減、無窮大的帶寬及在所有頻率中實(shí)現(xiàn)線性相位。這些理想要求在實(shí)踐中不僅是不可能實(shí)現(xiàn)的，也是不可行的。

●零信號(hào)源負(fù)荷：測(cè)試點(diǎn)后面的電路可以視作一種信號(hào)源模型，連接到測(cè)試點(diǎn)的任何外部設(shè)備，如探頭，都會(huì)在測(cè)試點(diǎn)后面的信號(hào)源上表現(xiàn)為額外的負(fù)荷。在從電路（信號(hào)源）吸收信號(hào)電流時(shí)，外部設(shè)備作為負(fù)荷操作。這一負(fù)荷或吸收的信號(hào)電流會(huì)改變測(cè)試點(diǎn)后面的電路，進(jìn)而改變測(cè)試點(diǎn)上看到的信號(hào)。理想的探頭導(dǎo)致的信號(hào)源負(fù)荷為零，換句話說，它不會(huì)從信號(hào)源吸收任何信號(hào)電流，這意味著為使吸收的電流為零，探頭必須具有無窮大的阻抗，從而在本質(zhì)上對(duì)測(cè)試點(diǎn)表示為開路。但在實(shí)踐中，零信號(hào)源負(fù)荷的探頭是不能實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)樘筋^必須吸收少量的信號(hào)電流，以在示波器輸入上形成信號(hào)電壓。

●全面抗噪聲能力：熒光燈和風(fēng)扇馬達(dá)是我們的周圍環(huán)境中存在的的眾多電子噪聲的兩種來源，這些噪聲源會(huì)在附近的電氣電纜和電路上引起噪聲，進(jìn)而導(dǎo)致在信號(hào)中增加噪聲。由于容易受到感應(yīng)噪聲的影響，一段簡(jiǎn)單的導(dǎo)線是示波器探頭的次優(yōu)選擇。理想的示波器探頭要能夠全面抗擊所有噪聲源，在實(shí)踐中，使用屏蔽可以使探頭對(duì)大多數(shù)常用信號(hào)電平實(shí)現(xiàn)高級(jí)抗噪聲能力。

上面討論的理想的探頭提到了多種實(shí)際情況，使得實(shí)際探頭并不能達(dá)到理想水平。首先必須認(rèn)識(shí)到，即使探頭只是一段簡(jiǎn)單的導(dǎo)線，但探頭仍可能是一條非常復(fù)雜的電路。對(duì)直流信號(hào)時(shí)，探頭表現(xiàn)為一段簡(jiǎn)單的導(dǎo)線，其帶有一定的串聯(lián)電阻和端接電阻；但是對(duì)于交流信號(hào)，因?yàn)槿魏我欢螌?dǎo)線都有分布式電感、任何線對(duì)都有分布式電容，這些電抗單元（LC）和電阻單元（R）的交互會(huì)產(chǎn)生隨著信號(hào)頻率變化的總探頭阻抗。通過采用良好的探頭設(shè)計(jì)，，可以控制探頭的電阻、電感和電容單元，在指定的頻率范圍上提供希望的信號(hào)保真度、衰減和信號(hào)源負(fù)荷。

※探頭的選擇注意事項(xiàng)

探頭的選擇應(yīng)考慮：

●帶寬和上升時(shí)間的限制

帶寬是示波器或探頭設(shè)計(jì)使用的頻率范圍。例如，100MHz探頭或示波器是為在高達(dá)100MHz的所有頻率上進(jìn)行測(cè)量而設(shè)計(jì)的。在超過指定帶寬時(shí)，可能會(huì)發(fā)生不希望或不能預(yù)測(cè)的測(cè)量結(jié)果。一般來說，為準(zhǔn)確的進(jìn)行幅度測(cè)量，示波器的帶寬應(yīng)比被測(cè)的波形頻率高5倍，這種“5倍規(guī)則”保證了非正弦曲線波形中的高頻成份提供足夠的帶寬，如方波。與此類似，示波器必須為測(cè)量的波形提供充足的上升時(shí)間，為在測(cè)量脈沖上升、下降時(shí)間時(shí)實(shí)現(xiàn)合理的精度，探頭和示波器的上升時(shí)間應(yīng)該比被測(cè)脈沖快3～5倍。

●動(dòng)態(tài)范圍的限制

所有探頭都有不應(yīng)超過的高壓安全極限。對(duì)于無源探頭，這一極限可以從幾百伏到幾千伏。而對(duì)于有源探頭，最大安全極限電壓則通常在幾十伏范圍內(nèi)。為避免危及人身安全及可能損壞探頭，最好了解被測(cè)的電壓及使用探頭的電壓極限。

除安全考慮因素之外，還要在實(shí)踐中考慮測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。示波器具有靈敏度范圍，典型的靈敏度范圍一般是1mV～10V/格，在八格顯示器上，這意味著可以在4mV～40V的信號(hào)上合理的進(jìn)行測(cè)量。在1X探頭中，探頭動(dòng)態(tài)范圍與示波器相同，即信號(hào)測(cè)量范圍是4mV～40V。如果需要測(cè)量40V以上的信號(hào)就需要通過使用衰減器的探頭，例如采用10X探頭就可以把示波器動(dòng)態(tài)范圍提高到40mV～400V。

最通用的是首選10X探頭，這是因?yàn)楦叨说碾妷悍秶捌鋵?dǎo)致的信號(hào)源負(fù)荷較少，如果打算測(cè)量比較寬的電壓范圍，也可以考慮選用1X/10X可切換式探頭，通過切換可實(shí)現(xiàn)4mV～400V的動(dòng)態(tài)范圍。

●信號(hào)源負(fù)荷

探頭必須吸收部分信號(hào)電流，以在示波器輸入上形成信號(hào)電壓，這就會(huì)導(dǎo)致在測(cè)試點(diǎn)上帶來了負(fù)荷，可能會(huì)改變電路或信號(hào)源傳送到測(cè)試點(diǎn)上的信號(hào)。

1X探頭一般有1MΩ的電阻，10X探頭一般有10MΩ的電阻，在大多數(shù)情況下這些值幾乎不會(huì)導(dǎo)致電阻負(fù)荷。通常情況下，最擔(dān)心的負(fù)荷是探頭尖端上的電容導(dǎo)致的負(fù)荷，對(duì)于低頻，這一電容具有非常高的阻抗，影響幾乎沒有，但隨著頻率的提高，電容電抗會(huì)降低，其結(jié)果是負(fù)荷會(huì)在高頻上提高。這種電容負(fù)荷影響著測(cè)量系統(tǒng)的帶寬和上升時(shí)間，通過選擇尖端電容值低的探頭，可以使電容負(fù)荷達(dá)到最小。

●探頭的地線

由于地線是一條導(dǎo)線，因此，它有一定的分布式電感。這一電感和探頭電容相互影響，在L和C值確定的某個(gè)頻率上會(huì)導(dǎo)致振鈴，這個(gè)振鈴是不可避免的，但通過設(shè)計(jì)探頭接地，可以降低振鈴的影響。為避免接地問題，應(yīng)一直使用隨探頭一起提供的最短的地線，代以其它方式的接地可能會(huì)導(dǎo)致被測(cè)脈沖上出現(xiàn)振鈴。

※探頭補(bǔ)償

大多數(shù)探頭是為與特定型號(hào)的示波器輸入而設(shè)計(jì)的，但是在示波器之間，甚至是同一臺(tái)示波器不同的輸入通道之間也會(huì)略有差異。為在必要時(shí)處理這一差異，許多探頭特別是衰減探頭都帶有內(nèi)置補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

沒有補(bǔ)償?shù)奶筋^，可能會(huì)導(dǎo)致各種測(cè)量誤差，特別是在測(cè)量脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間時(shí)尤為明顯，為避免這些誤差，應(yīng)在把探頭連接到示波器后立即補(bǔ)償探頭，并經(jīng)常檢查探頭補(bǔ)償結(jié)果。