示波器探頭基礎(chǔ)系列之五——示波器探頭使用指南（上）

本文旨在幫助讀者對(duì)常用的示波器探頭建立一個(gè)基本認(rèn)識(shí)。此外，我們通過(guò)一系列的例子說(shuō)明探頭的不正確使用如何影響測(cè)量的結(jié)果。

理解探測(cè)問(wèn)題

注意!連接示波器和待測(cè)物會(huì)給被測(cè)波形帶來(lái)失真。

示波器上應(yīng)該貼上上面類似的警告標(biāo)簽嗎？或許是的。示波器同其它測(cè)量?jī)x器一樣，受制于各種測(cè)量問(wèn)題——顯然，示波器和待測(cè)物的連接會(huì)影響到測(cè)量，使用者理解這樣的影響是非常重要的。隨著示波器技術(shù)的發(fā)展，連接示波器和待測(cè)物的工具和技術(shù)已經(jīng)變得非常成熟。

早期的示波器，測(cè)量帶寬只有幾百KHz數(shù)量級(jí)，常使用電纜連接電路。現(xiàn)代示波器使用各種連接技術(shù)以最小化測(cè)量誤差。使用者應(yīng)該熟悉示波器本身以及示波器連接電路的各種方法的特性和限制。

考慮示波器連接待測(cè)電路的方式如何影響測(cè)量，待測(cè)電路可以等效為包含內(nèi)置電阻和電容的戴維寧等效電壓源。同樣，示波器輸入電路和連接部分可以被等效為負(fù)載電阻和旁路電容。該模型如圖1所示。當(dāng)示波器連接信號(hào)源時(shí)，示波器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)減小測(cè)量到的電壓。低頻的損耗取決于電阻比率Rs和Ro。對(duì)于高頻時(shí)的損耗，Cs和Co成了主要因素。另外一個(gè)影響是系統(tǒng)帶寬由于示波器的容性負(fù)載而變小，這也會(huì)影響到動(dòng)態(tài)時(shí)間量的測(cè)量，如脈沖上升時(shí)間Risetime。

圖1 包括信號(hào)源和示波器的簡(jiǎn)單測(cè)量模型

示波器的設(shè)計(jì)者需要從兩個(gè)方面入手來(lái)減少負(fù)載效應(yīng)的影響:

• 高阻探頭，利用有源和無(wú)源電路來(lái)減少負(fù)載效應(yīng)，這些電路包括補(bǔ)償衰減器或者低容值場(chǎng)效應(yīng)晶體管緩沖放大器。
• 對(duì)于高頻應(yīng)用的直接連接，示波器的輸入電路采用50ohm的內(nèi)部端接。在這些場(chǎng)合，示波器輸入電路被設(shè)計(jì)成常數(shù)的50ohm負(fù)載阻抗。低電容的探頭被設(shè)計(jì)為50ohm端接來(lái)減少負(fù)載效應(yīng)。

如何選擇合適的探頭

通常，探頭可以被分成三大類。1、無(wú)源高阻探頭；2、無(wú)源低阻探頭；3、有源探頭。

針對(duì)特定應(yīng)用選擇特定探頭，這些探頭的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都需要被仔細(xì)考慮。表1給出了三種探頭以及它們適合的頻響范圍和輸入電壓。

表1 探頭類型，以及它們適合的頻響范圍和輸入電壓。

不幸的是，工程師僅僅知道探頭的主要電氣特性（頻率范圍和最大輸入電壓），還不足以針對(duì)特定應(yīng)用選擇正確的探頭。實(shí)際上，其它的探頭特性（如等效電容、阻抗以及帶寬）都對(duì)探頭的整體特性產(chǎn)生極大的影響。例如，探頭的等效阻抗是其輸入頻率的函數(shù)。圖2揭示了探頭的這種效應(yīng)。

圖2 探頭等效阻抗是輸入頻率的函數(shù)。探頭的動(dòng)態(tài)特性使它們適合于不同的應(yīng)用。表2給出了不同類型的信號(hào)及相適應(yīng)的典型探頭

高阻探頭

1. 概述

高阻（Hi-Z）探頭是常用的示波器探頭。它具有10：1 （X10）和100：1（X100）的衰減系數(shù)和350MHz的帶寬。

表2 常用的探頭類型以及其應(yīng)用

必須指出，對(duì)于帶寬為350MHz的高阻探頭，其信號(hào)的輸入頻率一般小于50MHz。由于負(fù)載電容效應(yīng)，這些探頭表現(xiàn)出糟糕的高頻特性。如圖3所示，考慮典型的X10探頭。

圖3：典型的X10，高阻探頭

300MHz帶寬示波器的輸入阻抗包含1Mohm的電阻和15pF的并聯(lián)電容。使用同軸電纜和X1探頭直接連接示波器和待測(cè)電路意味著增加了額外的容性負(fù)載。對(duì)于同軸電纜，約50pF/m.輸入的總電容為65pF。示波器的輸入阻抗以R2和C2表示。示波器和電纜的電容以C2表示。高阻抗探頭串連一個(gè)大電阻R1隔離示波器和待測(cè)電路。R1和R2組成了一個(gè)分壓電路。示波器的輸入電阻為1Mohm，對(duì)于X10 probe，R1為9Mohm, 對(duì)于X100 probe, R1為99Mohm。C1為可調(diào)電容，調(diào)節(jié)C1的值，使R1C1的乘積等于R2C2。通過(guò)補(bǔ)償探頭，使得探頭在所有頻率都有相同的衰減值。因此，在使用高阻無(wú)源探頭前，需要利用1kHz的方波來(lái)調(diào)節(jié)C1，以獲得最優(yōu)的補(bǔ)償值。典型的X10探頭的輸入阻抗具有10M的電阻和15pF的并聯(lián)電容。15pF電容部分的來(lái)源于C1和C2，部分的來(lái)源與探頭針到地的寄生電容Ctrip。

如前所述，高阻探頭適用于信號(hào)頻率低于50MHz的場(chǎng)合。這些探頭相對(duì)便宜，因?yàn)樗鼈冎皇褂脽o(wú)源器件。另外，他們有非常寬的動(dòng)態(tài)范圍。其最小電壓幅度取決于探頭的衰減因子和示波器的垂直靈敏度。衰減因子為高電壓輸入信號(hào)提供了便利，如10：1衰減無(wú)源探頭支持最高600V輸入電壓。同時(shí)，這些探頭提供許多種附件，如可變長(zhǎng)度電纜選件、各種探頭前端、適配器、連接地線。

2. 高阻探頭如何影響測(cè)量

圖4計(jì)算帶寬和上升時(shí)間的測(cè)量系統(tǒng)

當(dāng)示波器被用來(lái)測(cè)量電路或器件，需要估計(jì)測(cè)量?jī)x器如何影響待測(cè)電路。大多數(shù)情況下，可以建立示波器的輸入模型（包括探頭），并量化負(fù)載效應(yīng)和信號(hào)偏差。測(cè)試人員關(guān)于待測(cè)電路的知識(shí)加上示波器廠家提供的儀器和探頭的規(guī)格書，可以建立整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的模型?？紤]測(cè)試系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，如圖4所示。示波器和高阻探頭被簡(jiǎn)化為等效并聯(lián)RC電路。同樣的，待測(cè)電路可以被簡(jiǎn)化為戴維寧等效模型。如果待測(cè)電路的源電阻，Rs，約為50Ohm,當(dāng)使用傳統(tǒng)的10：1高阻探頭，則有理由忽略探頭10MOhm電阻，Ro。這樣，系統(tǒng)的等效電路包含有串連電阻，Rs，和并聯(lián)電容（該電容的值可認(rèn)為是源電容Cs和探頭輸入電容Co之和。從這個(gè)簡(jiǎn)單的模型中，我們可以估計(jì)示波器對(duì)信號(hào)上升時(shí)間的影響。由電路分析知識(shí)可知，RC電路對(duì)應(yīng)階躍輸入的響應(yīng)，其上升時(shí)間Tr有如下公式:

如下例子提供了一些典型的參數(shù)值，可以很好的解釋適用高阻探頭對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響。

如：Rs=50Ohm， Cs=9pF，Co=15pF

則信號(hào)源的上升時(shí)間Trs為：

1. （50）（9 10-12）=1ns

信號(hào)源和整個(gè)系統(tǒng)的上升時(shí)間tros為：

• （50）（24 10-12）=2.6ns

由于探頭帶來(lái)的額外的電容效應(yīng)，使得系統(tǒng)的上升時(shí)間增加了160% 。額外的電容效應(yīng)同樣也會(huì)使負(fù)載增加，尤其在高頻時(shí)候。負(fù)載阻抗的容性部分與頻率成反比，如下面公式所示：

在這里，容性阻抗Xc（單位Ohm）同頻率f（單位Hertz） 和電容C（單位Farads）的積成反比。利用之前的例子做一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算可知，當(dāng)頻率為100KMHz時(shí)候，24pf電容

將增加的負(fù)載阻抗為:

顯然，當(dāng)頻率高于數(shù)千赫茲，容性負(fù)載成為主要因素。探頭10MOhm的輸入阻抗只是工作在直流時(shí)的阻抗。基于以上兩個(gè)例子的討論可以知道，花力氣降低示波器探頭的輸入電容是非常有必要的。