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常用的示波器探頭建立一個基本認(rèn)識。此外，我們通過一系列的例子說明探頭的不正確使用如何影響測量的結(jié)果。

理解探測問題

注意!連接示波器和待測物會給被測波形帶來失真。

示波器上應(yīng)該貼上上面類似的警告標(biāo)簽嗎？或許是的。示波器同其它測量儀器一樣，受制于各種測量問題——顯然，示波器和待測物的連接會影響到測量，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，連接示波器和待測物的工具和技術(shù)已經(jīng)變得非常成熟。

早期的示波器，測量帶寬只有幾百KHz數(shù)量級，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電路的方式如何影響測量，待測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)示波器連接信號源時，示波器的負(fù)載效應(yīng)會減小測量到的電壓。低頻的損耗取決于電阻比率Rs和Ro。對于高頻時的損耗，Cs和Co成了主要因素。另外一個影響是系統(tǒng)帶寬由于示波器的容性負(fù)載而變小，這也會影響到動態(tài)時間量的測量，如脈沖上升時間Risetime。

圖1 包括信號源和示波器的簡單測量模型

示波器的設(shè)計者需要從兩個方面入手來減少負(fù)載效應(yīng)的影響:

• 高阻探頭，利用有源和無源電路來減少負(fù)載效應(yīng)，這些電路包括補(bǔ)償衰減器或者低容值場效應(yīng)晶體管緩沖放大器。
• 對于高頻應(yīng)用的直接連接，示波器的輸入電路采用50ohm的內(nèi)部端接。在這些場合，示波器輸入電路被設(shè)計成常數(shù)的50ohm負(fù)載阻抗。低電容的探頭被設(shè)計為50ohm端接來減少負(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、無源高阻探頭；2、無源低阻探頭；3、有源探頭。

針對特定應(yīng)用選擇特定探頭，這些探頭的優(yōu)點和缺點都需要被仔細(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），還不足以針對特定應(yīng)用選擇正確的探頭。實際上，其它的探頭特性（如等效電容、阻抗以及帶寬）都對探頭的整體特性產(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，對于帶寬為350MHz的高阻探頭，其信號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電路意味著增加了額外的容性負(fù)載。對于同軸電纜，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大電阻R1隔離示波器和待測電路。R1和R2組成了一個分壓電路。示波器的輸入電阻為1Mohm，對于X10 probe，R1為9Mohm, 對于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，在使用高阻無源探頭前，需要利用1kHz的方波來調(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電容部分的來源于C1和C2，部分的來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頻率低于50MHz的場合。這些探頭相對便宜，因為它們只使用無源器件。另外，他們有非常寬的動態(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提供了便利，如10：1衰減無源探頭支持最高600V輸入電壓。同時，這些探頭提供許多種附件，如可變長度電纜選件、各種探頭前端、適配器、連接地線。

2. 高阻探頭如何影響測量

圖4計算帶寬和上升時間的測量系統(tǒng)

當(dāng)示波器被用來測量電路或器件，需要估計測量儀器如何影響待測電路。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)和信號偏差。測試人員關(guān)于待測電路的知識加上示波器廠家提供的儀器和探頭的規(guī)格書，可以建立整個測試系統(tǒng)的模型。考慮測試系統(tǒng)的簡化模型，如圖4所示。示波器和高阻探頭被簡化為等效并聯(lián)RC電路。同樣的，待測電路可以被簡化為戴維寧等效模型。如果待測電路的源電阻，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。從這個簡單的模型中，我們可以估計示波器對信號上升時間的影響。由電路分析知識可知，RC電路對應(yīng)階躍輸入的響應(yīng)，其上升時間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測量結(jié)果帶來的影響。

如：Rs=50Ohm， Cs=9pF，Co=15pF

則信號源的上升時間Trs為：

1. （50）（9 10-12）=1ns

信號源和整個系統(tǒng)的上升時間tros為：

• （50）（24 10-12）=2.6ns

由于探頭帶來的額外的電容效應(yīng)，使得系統(tǒng)的上升時間增加了160% 。額外的電容效應(yīng)同樣也會使負(fù)載增加，尤其在高頻時候。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簡單計算可知，當(dāng)頻率為100KMHz時候，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的阻抗?；谝陨蟽蓚€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。