【導(dǎo)讀】測試工程師最不能少的就是示波器，而好的示波器不在于它有多貴，而在于擁有一個(gè)好的示波器探頭，理想的示波器探頭應(yīng)當(dāng)易于連接，具有可靠而安全的觸點(diǎn)、不會(huì)降低其傳輸信號(hào)的質(zhì)量或者造成失真等等。那么如何精準(zhǔn)的選擇示波器的探頭呢？同時(shí)如何正確的使用示波器呢？
對(duì)于當(dāng)示波器如親人的電源工程師們來說，一個(gè)理想的示波器探頭應(yīng)當(dāng)易于連接，具有可靠而安全的觸點(diǎn)、不會(huì)降低其傳輸信號(hào)的質(zhì)量或者造成失真、具有線性的相位行為、無衰減、具有無限的帶寬、高的抗噪性能以及不會(huì)成為信號(hào)源的負(fù)載。然而，實(shí)際上所有這些屬性均不可能絕對(duì)實(shí)現(xiàn)，而且某些情況下離所要求的測量情況還會(huì)有很大的差距。實(shí)際應(yīng)用中，需要測量的信號(hào)往往難以獲取，其阻抗變化可能非常大，整體設(shè)置對(duì)噪聲非常敏感而且依賴于頻率，帶寬有限，而且信號(hào)傳播的差異會(huì)在多個(gè)測量通道之間引起輕微的時(shí)間偏差(相位和時(shí)間偏差)。
因此示波器制造商竭盡全力將與探頭相關(guān)的影響降至最低，使其能夠更容易連接到電路而且性能更可靠。比如，一只手拿著探頭而另一只手操作示波器的方式是很難做到的。因此，R&S RTO系列示波器的有源探頭讓用戶能夠利用探頭上的一個(gè)按鈕來控制示波器功能，而且包含許多功能的控制。該測量儀器上還具備一個(gè)稱為R&S ProbeMeter的集成電壓計(jì)，可以進(jìn)行比傳統(tǒng)示波器通道更為準(zhǔn)確的DC測量。電壓探頭以及AC或者AC/DC電流探頭是兩款基本的探頭類型。但是還存在許多專為具體測量任務(wù)而設(shè)計(jì)的其它探頭，包括設(shè)計(jì)用于數(shù)字電路邏輯狀態(tài)故障排解的邏輯探頭。環(huán)境探頭設(shè)計(jì)為可以在廣泛的溫度范圍下工作，而溫度探頭可以用來測量組件的溫度，并且可以用在很可能出現(xiàn)高溫的電路中。另外還有設(shè)計(jì)用于晶片級(jí)探測站中的探頭，以及將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光學(xué)探頭，使得能夠在示波器上查看光學(xué)信號(hào)，某些特定的探頭還可用于測量高電壓。
示波器探頭分類
無源探頭
無源探頭是最簡單而且價(jià)格最便宜的探頭類型，可以提供大部分必需的測量功能。無源探頭本質(zhì)上由電線和接頭所構(gòu)成，而當(dāng)需要衰減時(shí)，還會(huì)具備電阻和電容。無源探頭中不存在有源組件，所以無需示波器提供電源也能進(jìn)行工作，本質(zhì)上非常耐用。1X(“單倍”)探頭是指探頭具有與示波器相同的動(dòng)態(tài)范圍，而衰減探頭則是通過將信號(hào)電平衰減10倍、100倍甚至更高的倍數(shù)，從而擴(kuò)展儀器的測量范圍。最為通用的探頭是10X類型的探頭，因?yàn)樗斐傻呢?fù)載效應(yīng)很低，而且提供更大的電壓測量范圍。10X探頭是許多儀器的典型“標(biāo)配”探頭。
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連接至示波器1M歐姆輸入端的1X無源高阻抗探頭具有很高的靈敏度(小衰減)，而將10:1的無源高阻抗探頭連接到示波器的1M歐姆輸入端時(shí)，可以提供比1X探頭更寬廣的動(dòng)態(tài)范圍、更高的輸入阻抗以及更低的電容。將10:1無源低阻抗探頭連接至示波器的50歐姆輸入端時(shí)，其阻抗幾乎不隨頻率變化而變化，但由于其標(biāo)稱阻抗為500歐姆，因此會(huì)成為信號(hào)源的一個(gè)明顯負(fù)載。當(dāng)信號(hào)幅值相當(dāng)?shù)蜁r(shí)，便需要采用1X探頭；但對(duì)于中低幅值成分混合的信號(hào)，采用1X/10X衰減比可調(diào)探頭則更為方便。無源探頭的典型帶寬范圍為小于100 MHz~500MHz。對(duì)于50歐姆環(huán)境中所遇到的高速(高頻)信號(hào)，需要采用50歐姆的探頭，其帶寬可達(dá)數(shù)千兆赫茲，上升時(shí)間可達(dá)100ps甚至更快。
無源探頭中包含一個(gè)低頻調(diào)整控件，在探頭連接至示波器時(shí)使用。低頻補(bǔ)償用于使探頭的電容與示波器輸入端的電容相匹配。高頻調(diào)整控件僅適用于50MHz以上的工作頻率。特定供應(yīng)商用于更高頻率的無源探頭會(huì)在出廠前完成調(diào)整，所以僅須執(zhí)行低頻調(diào)整。而有源探頭則無須執(zhí)行這些類型的調(diào)整，因?yàn)樗鼈兊膶傩院脱a(bǔ)償均在出廠前便已確定。
有源探頭
有源探頭的優(yōu)點(diǎn)包括對(duì)信號(hào)源的負(fù)載很低，探頭尖端具有可調(diào)的直流偏置(對(duì)直流電平上疊加的交流信號(hào)具有高分辨率)，以及能夠被示波器自動(dòng)識(shí)別，無須手動(dòng)調(diào)節(jié)。有源探頭具有單端型及差分型兩種類型。有源探頭采用了諸如場效應(yīng)晶體管等有源元件，其輸入電容非常低，對(duì)于在大頻率范圍內(nèi)保持高輸入阻抗來說很有好處。它們還可以用來測量阻抗未知的電路，并且允許使用更長的接地線。由于有源探頭的負(fù)載極低，所以當(dāng)連接至高阻抗電路時(shí)(無源探頭的負(fù)載相對(duì)來說過大)，有源探頭是必不可少的。然而，有源探頭中的集成緩沖放大器只能在有限的電壓范圍內(nèi)工作，而有源探頭的阻抗取決于信號(hào)的頻率。此外，雖然有源探頭可以用來處理上千伏特的電壓，但其畢竟是有源器件，機(jī)械可靠程度比不上無源探頭。
差分探頭
盡管可以對(duì)各個(gè)信號(hào)采用單獨(dú)的探頭進(jìn)行探測并測量出差分信號(hào)，但最佳方法仍然是采用差分探頭。差分探頭利用內(nèi)置的差分放大器對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相減，因此僅占用一個(gè)示波器通道，而且還能在比單端型探頭更寬廣的頻率范圍內(nèi)提供足夠高的 CMRR(共模抑制比)性能。差分探頭可以使用在單端和差分應(yīng)用中。
電流探頭
電流探頭通過測量電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)所產(chǎn)生的電磁通量場來測量電流。然后，電磁通量場會(huì)被轉(zhuǎn)換成為對(duì)應(yīng)的電壓，以供示波器進(jìn)行測量和分析。當(dāng)示波器的測量與數(shù)學(xué)功能結(jié)合使用時(shí)，電流探頭讓用戶能夠執(zhí)行各種各樣的功率測量。
高壓探頭
常規(guī)用途的無源探頭最大適用電壓一般在400V左右。當(dāng)電路中遇到比如20kV的高電壓時(shí)，需要利用專門的探頭才能進(jìn)行安全測量。很明顯，在對(duì)如此之高的電壓進(jìn)行測量時(shí)，安全是首要考慮因素，而這種類型的探頭通常會(huì)利用十分長的線纜長度來適應(yīng)高電壓。
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探頭的注意事項(xiàng)
電路負(fù)載
探頭附加到電路上最基本以及最重要的特征便是負(fù)載，而這種負(fù)載有阻性、容性和感性負(fù)載之分。阻性負(fù)載會(huì)造成幅值衰減和直流漂移偏置，并且會(huì)改變電路的偏壓。如果探頭的輸入電阻與所探測的信號(hào)電阻相同的話，那么阻性負(fù)載就會(huì)變得非常大，因?yàn)殡娐分械囊徊糠蛛娏鲿?huì)流入探頭。這樣反過來會(huì)降低電路與探針接觸位置的電壓。
實(shí)際上，這可能使得本來出現(xiàn)故障的電路正常工作，但更多情況下會(huì)導(dǎo)致電路的工作出現(xiàn)錯(cuò)誤。為了降低電阻負(fù)載所造成的影響，一般會(huì)采用探頭阻值高于被測電路阻值10倍以上的探頭進(jìn)行測量。
電容負(fù)載會(huì)降低信號(hào)的上升速度，降低帶寬，以及增加傳輸延遲，電容負(fù)載是由探頭尖端的電容所引起的。它引入了頻率的測量誤差，而且是進(jìn)行延遲和上升時(shí)間測量時(shí)的最大影響因素。電容負(fù)載是由于探頭中的電容所引起的，在高頻中表現(xiàn)為一個(gè)高通濾波器，從而使得高頻信息經(jīng)地線流走，顯著地降低了探頭在高頻情況下的輸入阻抗。因此，需要采用尖端電容較小的探頭。
感性負(fù)載也會(huì)導(dǎo)致測量信號(hào)失真，它是由探頭尖端至探頭接地導(dǎo)線之間的環(huán)形部分的電感所引起的。地線中的感性負(fù)載連同探頭尖端的電容所引起的信號(hào)振蕩可以通過有效的接地而得到減輕，這樣可以提高振蕩頻率使其超出儀器的帶寬。接地導(dǎo)線的長度應(yīng)盡可能地短，才能減少回路的長度，從而將電感降至最低。較低的電感可以將被測波形頂部的振蕩降至最低。
接地
當(dāng)使用示波器進(jìn)行測量時(shí)，為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果以及保證操作員的安全(尤其是在處理高電壓的時(shí)候)，務(wù)必采取正確的接地。儀器必須通過電源線接地，并且切勿在“保護(hù)接地”斷開的情況下進(jìn)行操作。當(dāng)被測設(shè)備的信號(hào)地通過另一個(gè)位置的電源接地而引起接地回路時(shí)，這將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不必要的低頻嗡嗡聲。常見的處理方式是將信號(hào)地與電源地隔離開來，然后在靠近信號(hào)針腳的位置與信號(hào)地建立連接。
探頭選擇流程
選擇合適(電壓)的探頭有兩個(gè)最具決定性的因素：在不失真情況下捕捉波形所需的帶寬，以及將電路負(fù)載降至最低所需的最小阻抗。規(guī)定的示波器帶寬僅適用于50歐姆的輸入阻抗以及有限的輸入電壓范圍。為了保持諧波和波形的完整性，儀器的帶寬必須至少是被測的最高脈沖頻率的五倍。
對(duì)于交流測量來說，所規(guī)定的直流阻抗的數(shù)值是很小的。隨著頻率增大，阻抗會(huì)變小，而無源探頭阻抗變小的程度最為明顯。嘗試將輸入阻抗保持為最高信號(hào)頻率時(shí)信號(hào)源阻抗的10倍，有源探頭和無源探頭之間可以很容易進(jìn)行選擇。這樣能夠?qū)⑦x擇范圍縮小至僅有一個(gè)或者兩個(gè)與測量設(shè)置要求最為吻合的探頭型號(hào)。對(duì)于微波波段的示波器帶寬，肯定是有源探頭具有最大優(yōu)勢。
請(qǐng)謹(jǐn)記，10x無源探頭的低頻阻抗是最高的，而且無源探頭一般不會(huì)引起直流偏置或者引入噪聲。而有源探頭可以在數(shù)千赫茲的頻率下提供恒定阻抗，而且在數(shù)百兆赫茲的頻率下具有最高阻抗。低阻抗探頭可以在高達(dá)1 GHz的頻率下提供恒定阻抗，盡管能夠在某一頻率下保持令人滿意的恒定阻抗，但較低的阻抗能夠避免諧波信號(hào)出現(xiàn)失真。
最后要提的是對(duì)于初次使用者來說在信號(hào)頻率成分高于100MHz的場合中建議使用有源探頭，而且低的輸入阻抗會(huì)導(dǎo)致較高的諧振頻率。與有源探頭之間的連接應(yīng)盡可能短，以確保提供可用的高帶寬。此外，如果接地電平不穩(wěn)定，便需要使用差分探頭。對(duì)于無源探頭，重要的一點(diǎn)是采用特定儀器所建議使用的探頭型號(hào)，即便該探頭的帶寬規(guī)范高于使用需要。低輸入電容會(huì)導(dǎo)致較高諧振頻率。接地導(dǎo)線應(yīng)盡可能地短，以降低地線的電感。測量陡峭上升沿時(shí)間的時(shí)候必須小心謹(jǐn)慎，因?yàn)橹C振頻率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)帶寬。探頭的阻抗應(yīng)大約為電路測量點(diǎn)阻抗的十倍，才不致于向電路引入太大的負(fù)載。
