設(shè)計(jì)手記：示波器探頭原理及種類詳解

　　大部分人會(huì)比較關(guān)注示波器本身的使用，卻忽略了探頭的選擇。實(shí)際上探頭是介于被測(cè)信號(hào)和示波器之間的中間環(huán)節(jié)，如果信號(hào)在探頭處就已經(jīng)失真了，那么示波器做的再好也沒(méi)有用。實(shí)際上探頭的設(shè)計(jì)要比示波器難得多，因?yàn)槭静ㄆ鲀?nèi)部可以做很好的屏蔽，也不需要頻繁拆卸，而探頭除了要滿足探測(cè)的方便性的要求以外，還要保證至少和示波器一樣的帶寬，難度要大得多。因此最早高帶寬的實(shí)時(shí)示波器剛出現(xiàn)時(shí)是沒(méi)有相應(yīng)的探頭的，又過(guò)了一段時(shí)間探頭才出來(lái)。

　　要選擇合適的探頭，首要的一點(diǎn)是要了解探頭對(duì)測(cè)試的影響，這其中包括2部分的含義：1/探頭對(duì)被測(cè)電路的影響；2/探頭造成的信號(hào)失真。理想的探頭應(yīng)該是對(duì)被測(cè)電路沒(méi)有任何影響，同時(shí)對(duì)信號(hào)沒(méi)有任何失真的。遺憾的是，沒(méi)有真正的探頭能同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，通常都需要在這兩個(gè)參數(shù)間做一些折衷。

　　為了考量探頭對(duì)測(cè)量的影響，我們通?？梢园烟筋^模型簡(jiǎn)單等效為一個(gè)R、L、C的模型，把這個(gè)模型和我們的被測(cè)電路放在一起分析。

　　首先，探頭本身有輸入電阻。和萬(wàn)用表測(cè)電壓的原理一樣，為了盡可能減少對(duì)被測(cè)電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。但由于Rprobe不可能做到無(wú)窮大，所以就會(huì)和被測(cè)電路產(chǎn)生分壓，實(shí)際測(cè)到的電壓可能不是探頭點(diǎn)上之前的真實(shí)電壓，這在一些電源或放大器電路的測(cè)試中會(huì)經(jīng)常遇到。為了避免探頭電阻負(fù)載造成的影響，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探頭的輸入阻抗在幾十k歐姆到幾十兆歐姆間。

　　其次，探頭本身有輸入電容。這個(gè)電容不是刻意做進(jìn)去的，而是探頭的寄生電容。這個(gè)寄生電容也是影響探頭帶寬的最重要因素，因?yàn)檫@個(gè)電容會(huì)衰減高頻成分，把信號(hào)的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下Cprobe應(yīng)該為0，但是實(shí)際做不到。一般無(wú)源探頭的輸入電容在10pf至幾百pf間，帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pf至幾pf間。

　　再其次，探頭輸入端還會(huì)受到電感的影響。探頭的輸入電阻和電容都比較好理解，探頭輸入端的電感卻經(jīng)常被忽視，尤其是在高頻測(cè)量的時(shí)候。電感來(lái)自于哪里呢？我們知道有導(dǎo)線就會(huì)有電感，探頭和被測(cè)電路間一定會(huì)有一段導(dǎo)線連接，同時(shí)信號(hào)的回流還要經(jīng)過(guò)探頭的地線。通常1mm探頭的地線會(huì)有大約1nH的電感，信號(hào)和地線越長(zhǎng)，電感值越大。探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，當(dāng)電感值太大時(shí)，在輸入信號(hào)的激勵(lì)下就有可能產(chǎn)生高頻諧振，造成信號(hào)的失真。所以高頻測(cè)試時(shí)需要嚴(yán)格控制信號(hào)和地線的長(zhǎng)度，否則很容易產(chǎn)生振鈴。

　　在了解探頭的結(jié)構(gòu)之前，需要先了解一下示波器輸入接口的結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@里是連接探頭的地方，示波器的輸入接口電路和探頭共同組成了我們的探測(cè)系統(tǒng)。

　　大部分的示波器輸入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式。示波器的輸入端有1M歐姆或50歐姆的匹配電阻。示波器的探頭種類很多，但是示波器的的匹配永遠(yuǎn)只有1M歐姆或50歐姆兩種選擇，不同種類的探頭需要不同的匹配電阻形式。

　　從電壓測(cè)量的角度來(lái)說(shuō)，為了對(duì)被測(cè)電路影響小，示波器可以采用1M歐姆的高輸入阻抗，但是由于高阻抗電路的帶寬很容易受到寄生電容的影響。所以1M歐姆的輸入阻抗廣泛應(yīng)用與500M帶寬以下的測(cè)量。對(duì)于更高頻率的測(cè)量，通常采用50歐姆的傳輸線，所以示波器的50歐姆匹配主要用于高頻測(cè)量。