“ 第三篇主要講解示波器的探頭原理，以及探頭對測量的影響。”

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探頭的寄生參數

探頭是介于被測信號和示波器之間的中間環節，如果信號在探頭處已經失真了，那么示波器做得再好也沒有用。500MHz的無源探頭本身上升時間約為700ps，通過這個探頭測試一個上升時間為530ps的信號，即使不考慮示波器的帶寬影響，經過探頭后的信號上升時間已經變為860ps。

圖1. 探頭帶寬對上升時間測量的影響

探頭對測試的影響，包括兩部分：探頭對被測電路的影響以及探頭本身造成的信號失真。為了考量探頭對測量的影響，通?？梢园烟筋^輸入電路簡單等效為圖2.所示的R，L，C的模型，進行分析。

圖2. 簡化的R，L，C探頭模型

探頭本身有輸入電阻，為了盡可能減少對被測電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。Rprobel不可能無窮大，所以會與被測電路產生分壓。為了避免探頭電阻負載造成的影響，一般要求探頭的輸入電阻大于源阻抗以及負載阻抗的10倍以上。大部分探頭輸入阻抗在幾十KΩ到幾十MΩ之間。

探頭本身還有電容，這個電容是寄生電容，是影響探頭帶寬的最重要因素，因為這個電容會衰減高頻成分，把信號的上升沿變緩慢。一般無源探頭的輸入電容在10pF到幾百pF之間，帶寬高的有源探頭輸入電容在0.2pF到幾pF之間。

圖3.無源探頭和有源探頭的輸入阻抗隨頻率變化曲線

探頭輸入的信號還會受到寄生電感的影響。寄生電感主要是探頭和被測電路間的導線，和探頭的地線形成。當電感值太大，寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，在輸入信號激勵下產品高頻諧振，造成信號失真。所以測試高頻時需要嚴格控制信號和地線的長度。

圖4. 探頭寄生電感引起的諧振

在了解探頭的結構后，還需要了解示波器的輸入接口的結構，因為這是連接探頭的位置，這兩部分共同組成了我們的探測系統。大部分示波器輸入接口采用BNC或兼容BNC的形式。很多示波器在輸入端有1MΩ或50Ω可切換的匹配電阻，不同的種類的探頭需要不同的匹配電阻。

從電壓測量角度來說，為了減小對被測電路的影響，示波器可以用1MΩ的高輸入阻抗，但高阻抗電路的帶寬對寄生電容的影響很敏感。所以1MΩ輸入阻抗廣泛用于500MHz帶寬以下的測量。對于更高頻的測量，通常采用50Ω的傳輸線，所以需要示波器50Ω的輸入電阻匹配。

圖5.示波器輸入端的匹配電阻

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常用探頭的介紹

探頭的分類：

• 高阻無源探頭

無源探頭是指探頭內部沒有需要供電的有源器件，高阻無源探頭是應用最為廣泛，與示波器相連時，要求示波器端的輸入阻抗是1MΩ，如圖6.是一個10：1的高阻無源探頭的原理框圖。

圖6.高阻無源探頭的原理

無源探頭通常會有1m長的連接線，另外示波器輸入端也有寄生電容，這些都會影響帶寬，為了改善高頻響應，高阻無源探頭前端會有相應的匹配電路，最典型的就是一個Rtip和Ctip的并聯結構。探頭要在帶內產生平坦增益的一個條件要滿足RtipxCtip=RscopexCscope。一般的高阻探頭在連接示波器的一端會有一個可調電容Ccomp，示波器會提供一個低頻方波的輸出，通過觀察探頭測量到的這個方波形狀可以調整Ccomp的值。如圖7.

圖7.無源探頭的補償電路對方波測量的影響

Rprobe在改善頻響的同時會和示波器輸入阻抗產生一個分壓，這個分壓比最常見是10：1，進入示波器的電壓是真實電壓的1/10,信號經過探頭有一個10倍的衰減。無源探頭通常標配15cm長的黑色地線夾，這么長的地線由于寄生電感，在測高頻信號時會產生比較大的振蕩，在有開關電源的場合還會耦合很大的噪聲。即使500M Hz的無源探頭在使用這種地線時最多只能達到200-300M Hz的帶寬。如果需要高頻測量，就需要換相應的短地線。

• 低阻無源探頭

低阻無源探頭又稱為傳輸線探頭，其等效電路是前端串聯了一個分壓電阻，使用時要求示波器的輸入阻抗設置為50Ω。低阻無源探頭帶寬較高，可以達到數G Hz。缺點是輸入阻抗低，并聯在電路中會改變被測電路的阻抗和分壓關系。

圖8.低阻無源探頭的原理框圖

• 有源探頭

有源探頭指需要供電的探頭，這種探頭中有專門的放大器電路，放大器需要供電，所以稱為有源探頭。有源探頭有甚多種，例如單端有源探頭，差分探頭，電流探頭等.

有源探頭要求示波器采用50Ω的匹配方式，以保證后端的傳輸帶寬。有源探頭本身的輸入阻抗還是高阻，可以1MΩ的阻抗，有源探頭放大器可以盡可能靠近被測電路，信號環路小，減少了很多寄生參數，帶寬可以到數G Hz。有源探頭的缺點是有限的動態范圍，受限于高帶寬放大器正常工作的電壓范圍，一般有源探頭動態范圍在幾伏以內。

單端有源探頭：

圖9.單端有源探頭工作原理

差分探頭：

差分有源探頭其前端是差分放大器，好處是可以直接測量高速的差分信號，同時其共模抑制比高，對共模噪聲的抑制能力比較好。差分探頭分兩種：高帶寬的差分探頭，其帶寬可以達到30G Hz，動態范圍小，在5V甚至2.5V以內；高壓差分探頭，其帶寬不太高，在200M Hz以內，可測電壓范圍比較大，幾十伏到幾千伏。

圖10.差分有源探頭原理

霍爾元件電流探頭：

示波器本身只能測量電壓，要測電流時，需要把電流信號轉換成電壓量，常用的電流轉換成電壓量的方法---霍爾元件法。利用霍爾器件的磁電效應，把被測電流路徑感生出的磁場轉換成電壓進行測量。大多示波器廠商都提供基于霍爾效應的電流探頭。電流探頭的前端有一個磁環，磁環套在被測電線，收集電流產生的磁場。磁環的磁通量與電流成正比，同時磁環內部有一個霍爾傳感器，可以檢測磁通量，其輸出電壓與磁通量呈正比。典型電流探頭的轉換系數是0.1V/A或0.01V/A?；魻栐筋^可以進行直流和交流的測量。其缺點是受限于示波器的底噪聲，其小電流能力有限，一般小于10mA的電流就很難測量。如果需要更小的電流測量，可以把被測電線在探頭上多繞幾圈。

圖11. 霍爾元件法電流探頭

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探頭對測量的影響

• 探頭前端對測量的影響

使用探頭測試時，具體使用環境下很多因素都會影響到測量結果，其中最常見的就是探頭和被測件之間的連接方式，不同連接方式提供的系統帶寬可能會不一樣。圖12.是典型的有源探頭的前端部分的等效電路圖。放大器前面的連接部分是一段阻抗不受控的連接線，有很多等效電容和電感，這部分對系統帶寬，高頻的輸入阻抗，頻率響應影響很大。放大器后面通常是50Ω的傳輸線，對于系統帶寬影響較小。減小引線對系統帶寬的影響的方法是縮短探頭和被測件的連接線長度。

圖12. 有源探頭前端的等效電路

• 探頭的負載效應

探頭在測試時，會成為電路的一部分，附加到被測設備的探頭和探測附件會給電路帶來電阻，電容，電感和失配負載。由于負載效應不同，會在頻域中影響探頭的帶寬和頻響，并在時域中帶來過沖，振鈴和直流偏置問題。因此，探頭的負載對于被測電路的影響，是影響測量精度的一個重要因素。知道了探頭的負載效應，就可用于構建等效電路模型，評估寄生參數，以消除探頭導致的負載效應。探頭負載不是一個常數，它隨著頻率變化。

探頭的負載效應由以下幾方面構成：

阻性負載：在直流和低頻范圍內，主要的負載是探頭的輸入電阻。若被測電路的阻抗比探頭的阻抗還大，流經電路的大部分電流會流入探頭，會降低被探測點的電壓。影響直流參數，例如直流幅度精度，直流偏置。

容性負載：電容負載隨著頻率而增加，在高頻時，電容負載起作用，將高頻信號引入到地，極大降低了探頭的輸入阻抗。容性負載對高阻無源探頭非常重要，它會顯著限制探頭的帶寬和降低信號的邊沿速度。

感性負載：該負載主要來自探頭探針到地產生的環路電感，磁通在該環路產生感應電壓，如果自諧振不是阻尼的，會導致探測系統的頻率響應出現明顯的過沖。導致被測信號失真。

探頭對測量的影響：

左圖：探測測試點在信號源負載上增加了探頭和示波器阻抗，導致測量系統吸收部分電流。右圖：信號源阻抗越高，探測導致的負載越大。這種情況下，所有阻抗都相等，探測導致測試點上的信號幅度下降了30%以上。

• 如何判斷探頭負載對電路影響的程度

可以使用一種簡單的方法，通常稱為雙探測技術。首先，選擇一個想用的探頭，將其連接到已知的目標階躍信號。保存該波形，以便示波器進行參考。接著拿第二個探頭將其附加到相同的探測點。第二個探頭必須與連接附件的探頭完全相同。這時刻意看到使用兩個探頭探測與僅與一個探頭時的波形變化，變化越大說明探頭負載效應越大。