幾乎所有示波器都標配了10X衰減無源探頭，因為這種探頭是在多種應用中進行測量的最佳選擇。為覆蓋範圍最廣泛的應用，通用探頭的帶寬一般在DC-500MHz，一般能夠測量幾百伏的電壓。進行低壓測量的用戶通常會落入使用示波器標配10X探頭的陷阱——最後得到的結果並不準確，因為10X無源探頭在毫伏級的低壓範圍內並不能準確地進行測量。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/194165.htm在進行低壓測量時，必需考慮示波器的靈敏度、探頭衰減、系統噪聲、探頭接地、探頭輸入阻抗、AC耦合、探頭偏置和探頭帶寬。
最大化示波器的垂直靈敏度
垂直靈敏度表明了示波器垂直放大器能把信號放大到多大。在大多數泰克示波器上，在沒有連接探頭的情況下，最靈敏的垂直設置是1mV/格。如圖1所示，在連接2X探頭時(通道1)，測量系統的最小垂直標度因數是2mV/格；在連接10X探頭時(通道2)，最小的垂直標度因數是10mV/格。
圖1：2X探頭(CH1)和10X探頭(CH2)最低的系統垂直解析度。
許多泰克示波器有10個豎格。在10mV/格設置的系統中使用10X探頭時，100mV信號會把屏幕填滿(10mV/格×10格)。我們仍使用10mV作為低壓測量實例。在使用10X衰減探頭時，把示波器通道調節到最小垂直標度10mV/格，這個信號在屏幕上只跨過了1個豎格。這個實例在圖2中顯示為通道2上的藍色軌跡。但是，在使用2X探頭測量同樣這個10mV信號時，它將跨過5個豎格，因為這條通道的垂直靈敏度可以調節到2mV/格。圖2也顯示了使用2X衰減進行的10mV測量，如圖2上的黃色軌跡所示。
圖2：探頭(CH1)和10X探頭(CH2)進行的10mV測量。
用戶應一直設置「V/格」，以便信號幾乎填滿整個屏幕。否則，就不能更詳細地查看信號，示波器數位化器便得不到全面的利用。在上面的10mV測量實例中，在連接10X衰減探頭時，我們只利用了示波器數位化器十分之一的處理能力，因為信號在屏幕上只跨過了1個豎格。在2X衰減探頭時，信號能夠跨過5個豎格，現在利用了數位化器一半的處理能力。利用的數位化器處理能力越強，捕獲的信號解析度越高。
改善測量系統的信噪比
探頭的衰減因數(即1X、10X、100X)是探頭使示波器輸入信號幅度降低的量。1X探頭沒有降低或衰減輸入信號，而10X探頭則會在示波器輸入上把輸入信號降低到信號幅度的1/10。如圖3所示，輸入電壓到達示波器輸入，除以探頭的衰減因數，表示為VIN除以衰減。
圖3：輸入信號、探頭衰減和隨機噪聲。
探頭衰減擴大了示波器的測量範圍，可以測量更大幅度的信號。但是，在測量低壓信號時，探頭使信號衰減，然後示波器放大信號，導致信噪比下降。信噪比公式(SNR)為：
其中，Attenuation為探頭的衰減因數；VNoise一般用示波器產品技術資料中的隨機噪聲表示。
將此處和以下兩式中的「SRN」改為「SNR」
為使用公式1，必須確定VIN和VNoise。例如，如果在低壓測量中為VIN分配的值為10mV，那麼示波器的設置為1mV/格，而不管探頭衰減是多少；又例如，示波器的隨機噪聲指標為150uV+8%的「V/格」設置，在1mV/格設置下，VNoise為230uV。使用這些VIN、VNoise和探頭衰減值，可計算出10X探頭和2X探頭的SNR：
使用10X探頭計算SNR：
使用2X探頭計算SNR：
在10mV測量中，2X探頭的信噪比為21.7:1；10X探頭的信噪比為4.3:1。很明顯，衰減較低的探頭提高了測量系統的信噪比，因此，這種探頭更適合進行低壓測量。
謹慎使用長地線，特別是在變壓器和開關單元附近
長地線非常方便，因為用戶只需連接接地一次，便可在地線範圍內探測多個測試點。但是，任何一條導線都會分發電感，分發的電感會對AC信號做出反應。信號頻率越高，對AC電流流動的阻礙性越大。地線的電感與探頭輸入電容相互作用，在某個頻率上將導致振鈴。下面的公式描述了振鈴頻率：
其中：f是振鈴頻率；L是探頭接地解決方案引起的電感；C是探頭的輸入電容。
這個振鈴是不可避免的，可能表現為幅度衰落的正弦曲線。在地線長度提高時，電感會提高，測得信號將在較低的頻率上振鈴。通過限制探頭的接地長度或選擇輸入電容較低的探頭，可以降低振鈴的影響。
改善振鈴頻率的一個簡單的解決方案是使用一條較短的地線，如短接地彈簧。圖4左側顯示了採用短接地彈簧的探頭圖片。通過使用短接地彈簧，電感降低，C值下降，便能把電感振鈴推過關心的頻率範圍。
圖4：安裝在機箱上的測試插座。
電感量最低、同時又能獲得安全接地連接的接地解決方案，是安裝在探頭尖端機箱上的測試插座(泰克部件編號131-4210-00)，如圖4右側所示。插座可以插入用戶的測試電路板中，把地線長度縮短到接近於零。
地線還可以作為衰減器或環路，引起電容和磁性耦合效應。縮短地線長度還有一個好處，就是減少受到變壓器和開關器件附近的放射性輻射。如果要求較長的地線，那麼用戶應注意，不要把地線放在變壓器或者開關器件附近。
使用高輸入阻抗的探頭
在把探頭插入電路時，探頭會對被測電路產生一定的影響。探頭擁有電阻單元、電感單元和電容單元，可以想像，如果電阻器、電容器或電感器被插在測量點上，那麼，它會改變電路的特點。用戶應該了解探頭的輸入阻抗指標，以使探頭負荷的影響達到最小。
電阻單元、電感單元和電容單元相互影響，產生隨信號頻率變化的總探頭阻抗。為使探頭負荷達到最小，用戶應使用最短的地線，以最大限度地降低電感，同時還應使用低輸入電容的探頭。有源探頭或差分探頭將提供最低的輸入電容。另一個選項可能是低輸入電容無源探頭(如TPP0502)，這是業內唯一的低衰減、高帶寬、高阻抗無源探頭，適合在擁有高頻率成分的信號上進行低壓測量。上面公式2所示的振鈴頻率也說明了這種關係，其表現為頻率、電感和探頭輸入電容之間的關係。
使用示波器的AC耦合功能，或調節探頭偏置
一個測量挑戰是測量位於DC信號頂部的低壓AC信號。有多種選項可以幫助用戶把重點放在信號的AC部分。在使用有源探頭時，用戶應使用探頭的偏置控制功能——可以使用探頭偏置，去掉探頭放大器中的DC成分。通過去掉信號的DC成分，用戶現在可以準確地評估和測量信號的AC成分。在部分差分探頭上，泰克提供了一種稱為DC抑制(DC Reject)的功能。DC Reject自動生成內部偏置，抵消信號的DC成分。
在使用低衰減無源探頭觀察這些類型的AC信號時，用戶應使用示波器上的AC耦合功能封鎖DC成分，只顯示AC信號。例如，通過在示波器信號路徑上啟用AC耦合併使用TPP0502，工程師可以評估信號的AC成分，最高解析度可以達到2mV。這種方法允許用戶分離出AC成分，而又不必增加DC偏置。在某些情況下，使用有源探頭是不可能進行這類測量的，因為測量系統的偏置範圍有限，或者探頭的放大器不能容忍大的DC輸入。
使用擁有充足帶寬的探頭
在選擇擁有足夠帶寬的探頭時，經驗法則是：探頭帶寬應該是被測信號帶寬的五倍。在評估簡單的信號(如正弦波)和檢定頻域中發生的事件時，帶寬是一個有效的指標。但是，大多數信號是複雜信號，包含許多頻譜成分，頻率值可能要比基礎頻率高出幾個數量級。對隨時間迅速變化、擁有快速轉換速率(dv/dt)的信號，測量系統必須能夠捕獲這些事件隨時間的變化，必須能夠準確檢定時域中發生的情況。上升時間是確定測量系統隨時間變化效果的指標。在考慮測量系統評估上升沿和下降沿及捕獲高階諧波的能力時，上升時間是一個重要指標。許多時候，用戶得出的結論是，由於信號「沒那麼快」，他們選擇的探頭帶寬不足或者言過其實，因此他們選擇的探頭沒有足夠的上升時間功能。
看一下圖5所示的紋波測量。通道2上所示的藍色軌跡是使用P2220探頭在1X衰減設置下捕獲的。在1X衰減設置下，P2220提供了6MHz的帶寬，上升時間指標50ns。許多進行「電源」測量的用戶認為6MHz已經足夠快，因為6MHz在低於1MHz的開關頻率上進行測量時帶寬已遠遠足夠。我們作為測量系統的一部分使用P2220探頭，圖5中檢定的紋波特點表現得非常好。但是，使用低衰減、高帶寬探頭(TPP0502)在通道1上進行測量時，會得到完全不同的結果。P2220帶寬低，掩蓋了高頻率信號成分。高亮度區域中的黃色軌跡顯示了50mV的振鈴。相比之下，使用P2220捕獲的信號只顯示了約5mV的振鈴。
圖5：使用低帶寬無源探頭和高帶寬無源探頭捕獲的快速邊沿速率信號。
哪些探頭適合進行低壓測量？
進行低壓測量的最佳探頭是有源探頭或差分探頭(如泰克TDP1500差分探頭)，其可以選擇1X和10X衰減範圍。在1X設置下，這些探頭不會降低或是衰減信號，得到的測量結果SNR更高，解析度也更高。共模抑制功能是使差分探頭成為低壓測量(如紋波)最佳選擇的功能之一。共模抑制允許探頭抑制兩個探頭輸入上共同的信號，如變壓器或開關模式可能發生的耦合。有源探頭和差分探頭一般還擁有較高的帶寬和較低的探頭負荷效應。
泰克TPP0502提供了一種性能優異且成本較低的備選方案。TPP0502同時擁有無源探頭的優點和有源探頭的優點：堅固耐用、性能高、成本較低。除2X低衰減範圍外，TPP0502在探頭尖端提供了高帶寬(500MHz)、大動態範圍(300V CAT II)和高輸入阻抗，主打指標為2MΩ和12.7pF。由於500MHz帶寬，TPP0502提供的性能明顯要優於業內其它低衰減無源探頭，後者最大可以提供25MHz的帶寬。探頭帶寬有限會導致用戶漏掉可能影響被測信號的頻率成分。
紋波測量案例分析
有一名設計工程師在解決電源噪聲問題。他需要探測3.3V電源，但使用的10X探頭沒有提供足夠的靈敏度，不能看到小的紋波電壓，不能觸發波形中存在的周期性噪聲。把噪聲與紋波電壓隔開可能是一個嚴重的問題，這類測量要求低衰減探頭。看一下圖6中的波形。黃色軌跡是10X探頭，調整到每格10mV的最低垂直設置；藍色波形是2X探頭(TPP0502)。2X探頭可以調節到每格2mV的最低垂直設置。電源輸出產生一個3mV紋波的信號，圖中明顯可以看出為什麼10X衰減探頭不能高效進行低壓測量了。
圖6：使用2X探頭(藍色)和10X探頭(黃色)測量3.3V電源。
這名設計工程師已了解使用低衰減探頭進行低壓測量的好處。他在評論TPP0502的易用性時寫到：「信號AC耦合及找到到達前端的25kHz紋波易如反掌。這隻探頭使用起來真是太容易了，它只需要點擊操作。如果使用有源探頭進行相同的測量，則必須算出所需的偏置，然後撥入偏置值。此外，由於300V CAT II額定值，不用擔心意外觸碰電源中其中一條相鄰的高壓線。由於它擁有足夠的帶寬，還能夠看到電源中某些其它尖峰，可以更有效地濾除這些尖峰！」圖7是TPP0502探測3.3V電源節點的曲線。其中，示波器垂直靈敏度設置為2mV/格；輸入通道設置為AC耦合；示波器採集模式設置為單次模式。白色參考軌跡是噪聲洩漏到垂直通道中的電源，黃色軌跡是行為特點較好的相同信號。
圖7：使用2X衰減無源探頭測量3.3V電源。
本文小結
在進行低壓測量時，必需評估探頭，考察探頭的衰減和輸入阻抗指標。有源探頭或差分探頭(如TAP1500和TDP1500)是最高效的低壓測量探頭，泰克TPP0502則提供了一種經濟的通用低衰減無源探頭，在準確進行低壓測量方面也有非常強的能力。