示波器探頭基礎(chǔ)系列之二《探頭的共有特性概述》

首先是闡述所有類型探頭共有的一些特性。
探頭屏蔽
工程師賦予示波器探頭的一個(gè)重要使命就是確保只有希望觀測(cè)的信號(hào)才能通過(guò)它顯示在示波器屏幕上，如果我們僅僅使用一根導(dǎo)線來(lái)代替探頭，那它的作用就好象是一根天線，可以從無(wú)線廣播，移動(dòng)電話、電機(jī)、50或60Hz的電源的交流聲甚至當(dāng)?shù)貥I(yè)余無(wú)線電愛(ài)好者那里接收到很多不希望的干擾信號(hào)，這些噪聲甚至還能反向注入到被測(cè)電路中使信號(hào)發(fā)生畸變，所以我們首先需要的是能夠提供屏蔽功能的電纜，良好設(shè)計(jì)的示波器探頭的屏蔽電纜通過(guò)探頭尖端的接地線和被測(cè)電路連接，從而保證了很好的噪聲抑制性能。
探頭帶寬
大家都了解示波器通道帶寬的定義，輸入正弦波信號(hào)幅度被降低到-3dB(0.707倍)時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即對(duì)應(yīng)示波器模擬帶寬這個(gè)指標(biāo)，決定這個(gè)指標(biāo)的是前端放大器件的性能。同樣探頭也具有有限的模擬帶寬。如果把示波器作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)考察，其總體帶寬由主機(jī)帶寬和探頭帶寬共同決定，更專業(yè)的數(shù)學(xué)公式表明了這種關(guān)聯(lián)性：

圖1探頭帶寬相關(guān)公式
以上公式中，Tr(display)表示實(shí)際測(cè)量到的信號(hào)上升時(shí)間，等于示波器上升時(shí)間、探頭上升時(shí)間和源信號(hào)上升時(shí)間的正交和。而系統(tǒng)的上升時(shí)間與帶寬的乘積為一常數(shù)，對(duì)系統(tǒng)函數(shù)為1階的模型而言，該常數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為0.35,對(duì)于更高階的模型該常數(shù)介于0.35 ~ 0.5之間。我們可以推導(dǎo)出這四者帶寬之間的關(guān)系。從以上公式我們還可以推導(dǎo)出：如果我們使用一臺(tái)100MHz的示波器和一個(gè)100MHz的探頭，那么它們組成的系統(tǒng)帶寬就小于100MHz，內(nèi)在的因素是因?yàn)樘筋^的電容和示波器的輸入電容相加，更大的電容導(dǎo)致更小的系統(tǒng)帶寬，加大了顯示在示波器屏幕上信號(hào)的上升時(shí)間tr。
　　繼續(xù)討論：tr(ns)=350/BW(MHz)
　　如果示波器和探頭各自均為100MHz帶寬，其上升時(shí)間均為tr=3.5ns。則有效系統(tǒng)上升時(shí)間就由下式給出：
　　trsystem=sqr(t2rscope+t2rprobe)
　　=sqr(3.52+3.52)ns
　　=sqr(24.5)2ns
　　=4.95ns
　　根據(jù)4.95ns的系統(tǒng)上升時(shí)間求得，系統(tǒng)帶寬為350/4.95MHz=70.7MHz。
　　從上述的計(jì)算可以看出，探頭帶寬比示波器主機(jī)帶寬越高，整個(gè)系統(tǒng)帶寬就越接近主機(jī)帶寬，所以力科公司推薦用戶應(yīng)配備盡可能高帶寬探頭，以提升整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)帶寬。
示波器探頭負(fù)載效應(yīng)
當(dāng)我們進(jìn)行信號(hào)測(cè)量時(shí)，我們常常以為測(cè)得的電壓和電路中未連入示波器時(shí)是完全一樣的，實(shí)際則不然。打個(gè)比方，我們用溫度計(jì)去度量火焰的溫度，溫度計(jì)未靠近時(shí)火焰溫度50攝氏度，靠近后溫度計(jì)要從火焰中汲取熱量，自身溫度升高而火焰溫度降低為49度，溫度計(jì)反映出來(lái)的溫度值就為49度，很明顯有1度的測(cè)量誤差，這個(gè)誤差正是因?yàn)橐霚y(cè)量系統(tǒng)后帶來(lái)的。
　實(shí)際上，每個(gè)示波器探頭都有其輸入阻抗，這個(gè)阻抗是特性阻抗，不僅是因?yàn)殡娮柙斐傻?，還包含了電容和電感等因素。由于探頭引入的額外負(fù)載，所以探頭接入被測(cè)電路后，會(huì)從信號(hào)中汲取能量，實(shí)際上就會(huì)影響被測(cè)電路，最惡劣的后果就是電路本來(lái)是正常工作的，引入示波器探頭后卻不正常了，工程師就容易得出與事實(shí)相反的結(jié)論。因此我們分析測(cè)量結(jié)果時(shí)必須考慮探頭的負(fù)載特性以及測(cè)試電路的阻抗匹配性。
　　有些示波器探頭里沒(méi)有串聯(lián)的電阻，這類探頭主要就由一段電纜和一個(gè)測(cè)試頭構(gòu)成，因此，在其有用帶寬之內(nèi)，探頭對(duì)信號(hào)沒(méi)有衰減作用。這類探頭稱為1：1或X1探頭。由于這類探頭在測(cè)試點(diǎn)處將其自身的電容（包括電纜的電容）與示波器的輸入阻抗連在了一起，所以這種探頭具有負(fù)載效應(yīng)。見圖2。