示波器探頭基礎入門指南(下)

在《示波器探頭基礎入門指南（上）》一文中，我們主要介紹了示波器探頭的種類及其工作原理，接下來我們將介紹示波器探頭的主要指標，如何選擇示波器探頭，以及在示波器探頭的使用過程中應該注意哪些問題。

2 示波器探頭的主要指標

2.1 帶寬

與示波器一樣，示波器探頭的頻響類似一個低通響應。探頭的帶寬是指探頭響應輸出幅度下降到70.7%（-3dB）時對應的輸入信號頻率。
 

圖1探頭頻響及帶寬定義

 

當示波器配合探頭使用時，示波器+探頭就構成了一套測量系統，此測量系統的帶寬滿足以下公式：

可見，探頭帶寬越高，對示波器帶寬的影響也就越小。一般我們推薦示波器探頭的帶寬為示波器帶寬的1.5倍，即探頭帶寬略高於示波器帶寬。

 

2.2 上升時間

探頭的上升時間是指探頭對階躍函數10%-90%的響應時間。一般而言，探頭帶寬越高，上升時間越短。

與示波器一樣，大多數探頭的帶寬與上升時間滿足0.35公式，即：

Trise = 0.35/BWprobe

示波器+探頭測量系統的上升時間則滿足以下公式：

 

2.3 輸入阻抗

探頭一般都標註了輸入阻抗值，從50Ω至10MΩ甚至更高。探頭的輸入阻抗會嚴重影響探頭的負載效應（將在第三節中詳述）。輸入阻抗越大，探頭的負載效應越小，對待測電路正常工作影響也就越小。輸入阻抗越小，探頭的負載效應越大，對待測電路正常工作的影響就越大。

 

2.4 輸入電容

輸入電容是有源探頭的一項關鍵指標。有源探頭的輸入電容一般很小，小至pF甚至零點幾pF。小的電容會在高的頻帶上提供較大的輸入阻抗，從而減小負載效應。由輸入電容導致的輸入阻抗公式如下：

Rin = 1/2πfCin

由以上公式可知，Cin越小，探頭可以支持更高的帶寬f，這也是為什麼有源探頭相對於無源探頭而言可以提供更大的帶寬的原因。

 

2.5 衰減比

一般探頭都會對探測到的信號進行衰減，然後輸送至示波器。最常見的衰減比為10：1，即信號衰減為原始的十分之一，此時衰減比標註為10X。此外，常見的還有1X、100X、1000X探頭等。

 

2.6 最大輸入範圍

探頭都有最大輸入範圍，超過一定輸入範圍則可能損壞探頭。

 

3 示波器探頭使用注意事項

3.1 負載效應

探頭的負載效應是指被測電路接上探頭後，探頭與示波器一起組成了待測電路的並聯負載，從而吸引一部分電流流入示波器，對原始待測電路上的信號產品影響。如果負載效應很大，則測到的波形與原始波形變化很大，示波器就不能準確測量波形。
 

圖2示波器探頭接入引起負載效應

 

那麼如何評判探頭的負載效應呢？一般來說，探頭接入的輸入阻抗應為待測電路待測點處輸出阻抗的10倍以上，此時負載效應較小，測量誤差在允許範圍以內。

如下圖所示：

圖3負載效應示例

 

在探頭探測前，探測點的電壓為5V × 100KΩ/（100Ω+100KΩ）=4.995V。探頭探測後，並聯了一個1MΩ的阻抗，此時探測點的電壓為：

5V × (90.9k)/[100+(90.9k)] = 4.994V
      
此時，探頭引入的負載效應僅為0.001V，可以忽略不計。如果待測點的輸出阻抗更高，則需要使用更高輸入阻抗的探頭。

 

值得一提的是，當我們測試由信號源輸出的射頻信號時，一般使用的是50Ω傳輸線纜。50Ω的傳輸線纜與信號源輸出阻抗（50Ω）相匹配，使功率最大的傳輸至示波器，從而保證了測量精度。
      
 

而在某些時候，工程師希望測試電路板上某個探測點處的頻譜，往往使用剪斷的50Ω傳輸線纜，在剪斷處剝離地和傳輸芯，用以接觸探測點。線纜另一端則連接至頻譜儀。

圖4前段剝離的50Ω傳輸線纜

 

這種做法則是不可取的，電路板上的探測點與射頻源的輸出不同，由於傳輸線的50Ω低阻抗，會對測試點處引入較大的負載效應。正確的做法是，使用高輸入阻抗的探頭取代50Ω傳輸線纜，與頻譜儀連接。      
      
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R&S提供了RT-ZA9的BNC-N轉接頭方案，它可以將高輸入阻抗的R&S有源探頭（1MΩ）與頻譜儀或接收機相連接，對需要高阻抗測試的DUT進行精準測量。

圖5 RT-ZA9轉接頭示意圖

 

前面介紹過，探頭一般含有電阻、容性阻抗和感性阻抗。電阻的負載效應會對信號DC分量測量造成影響，對波形的幅度測量造成誤差。容性阻抗對AC分量的測量造成影響，比如會影響（延緩）信號的上升時間。感性阻抗則會對波形測量引入振鈴現象。

圖6探頭負載效應分類

 

3.2 探頭補償
      
我們在與電子測量工程師的交流中，經常提到探頭補償的問題。當我們購買示波器後第一次使用時，或者因探頭資源緊張而臨時拿其他品牌探頭使用時，都會涉及到探頭補償問題。
      
 

所謂探頭補償是指示波器與探頭連接使用時，調整探頭的可變電容，在探頭與示波器之間進行頻率補償，使頻率達到相對穩定的狀態。當補償完成後，具備如下關係式:

Rscope × Cscope = Rprobe × Cprobe

即：為了最大限度地傳送信號，示波器的輸入電阻和電容必須與探頭輸出的電阻和電容相匹配，此時探頭具有最優信號傳送能力。

 

那麼如何進行探頭補償呢？

 

探頭補償一般針對無源探頭而言（有源探頭也存在補償），使用過無緣探頭的工程師可能會發現，在無緣探頭與示波器接觸的一端上有一個小孔，這個小孔內有一個十字旋鈕。通過探頭自帶的螺絲刀小工具即可深入小孔內調節探頭的可調電容值。
 

 圖7調節無源探頭的可調電容值

 

具體原理如下圖所示：
 

 圖8通過調節探頭可調電容Ccomp來實現探頭匹配

 

探頭補償的步驟如下：

•     連接探頭與示波器通道；

•     將探頭前端連接至示波器上的探頭補償Π方波信號（一般為1KHz、1V的信號）；

•     使用自帶小工具調節探頭可調電容，使得示波器上顯示的方波信號的高低電平部分保持平穩，即實現探頭與示波器的匹配。

 

在調節探頭時，示波器上顯示的方波信號可能存在以下三種狀態：
 

圖9探頭欠補償、過補償、匹配狀態的波形
 

3.3 諧振效應

在使用探頭測量信號上升沿時，把示波器的時基範圍調小，一般能看到在上升沿的過衝部分存在振鈴現象，即探頭帶來的諧振效應。

圖10探頭帶來的振鈴效應

 

探頭不僅存在阻抗以及寄生電容，還存在寄生電感（特別是在測試高頻信號時）。探頭是由導線和地線組成的，通常導線及地線越長，電感值就越大。探頭上的寄生電感和寄生電容容易形成諧振迴路，在輸入信號的激勵下，在某些頻率上產生高頻減幅諧振，從而出現振鈴現象。
 

圖11振鈴現象的產生

 

如下圖所示，探頭的輸入阻抗會在特定頻率fx處達到最小值。
 

圖12探頭輸入阻抗
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此時探頭的寄生電感、寄生電容以及待測信號源構成諧振迴路，出現諧振效應，諧振頻率為:

其中，Lcon為探頭寄生電感，Cin為輸入電容。如果諧振頻率剛好落在探頭帶寬範圍之內，則在測試此頻率的信號時會出現諧振現象。

 

為了降低這種效應，使用者往往使用最短的地線，從而減小探頭的Lcon寄生電感，使得fresonance諧振頻率最大化，從而超出示波器探頭的帶寬範圍，也就進一步有效避免了諧振效應。

 

探頭地線的長度嚴重影響諧振效應，以下圖片充分說明了地線長短對波形上升沿測量的影響。
 

圖13不同長短的底線的諧振效應

 

由圖示可知，地線越短，諧振效應越小，上升沿引起的振鈴現象越不明顯，此時的測量精度也就越高。所以，在測試環境允許的情況下，儘可能地使用更短的地線。

 

3.4 浮地測量問題
      
測量差分信號時，我們往往面臨以下3種選擇：

•     使用兩個通道CH1、CH2，分別測試差分信號兩端，然後相減；
 

 圖14使用兩個單端探頭測量差分電壓

 

•     使用差分探頭測試；
 

圖15使用差分探頭測量差分電壓

 

•     直接使用單端探頭浮地測量；
 

圖16使用浮地的方法測量差分信號

 

第1種方法需要兩個通道及探頭之間的完全一致性。即便如此，兩個通道上產生的不同噪聲也會對測量結果造成影響，此種方法測試的CMRR共模抑制比很差，不作推薦。
 

第2種方法是最值得推薦的方法，使用差分探頭具有高CMRR（在《示波器探頭綜述（上）》有記載），測得數值精確。

 

然而，差分探頭往往價格昂貴，並非所有客戶願意花重金採購。因而就有了第3種方法，使用單端探頭對差分信號直接進行浮地測量。

 

差分信號兩端一正一負，如果要使用單端探頭進行探測，往往將單端探頭的地端與差分信號的負端相接。而單端探頭接上示波器後，探頭地線會與示波器電源地線共地，從而將差分信號的負端拉至地，對原始差分信號有影響。因此，有人想到浮地測量的方法，即將示波器電源地線剪斷，使示波器浮地。

 

浮地測量在電源測試中可能會造成觸電危險，因為有些差分電壓的負端高達負的上百上千伏。在測試過程中，如果人手不小心觸碰到示波器其他通道的BNC接地殼，則會觸電！因此，浮地測量不是推薦的測量方法。
 

圖17浮地測量帶來觸電危險
      
 

除了以上3種常見測量方法之外，還可以使用通道隔離的示波器，或者使用隔離電源對示波器供電的方法。在此就不作詳述了。
      
 

3.5 其他品牌探頭兼容性問題
      
我們在日常使用示波器時經常出現原始匹配探頭丟失或損壞的情況。此時，能夠解決問題的辦法通常是拿手頭上其他品牌的探頭臨時配合示波器使用。很多人不了解具體情況，插上示波器探頭就開始測試，這樣往往測得的數值存在很大偏差，是不可取的！
      
 

並非不同品牌示波器和探頭不能配合使用，實際上，目前市面上絕大多數品牌示波器的無源探頭均具備統一的BNC接口，可以與其他品牌示波器配合使用。但是在正式測量之前，有幾點需要注意。
      
 

首先，一般示波器無法自動識別其他品牌探頭的衰減比（衰減因子），所以在與其他品牌探頭一起使用時，需要在示波器上手動設置探頭衰減比，這樣才能防止測量值偏差10幾倍甚至上千倍的錯誤。
      
 

其次，不同品牌的示波器和探頭之間同樣存在不匹配問題，即前面所述探頭補償問題。所以，在測試之前，需要對探頭進行補償。
      
 

此外，不同廠家的有源探頭（包括有源單端、有源差分、部分電流探頭等）甚至部分無源探頭設計為獨特接口標準。針對此類探頭，有時可採用不同的轉換接頭使用，如R&S為有源探頭提供的BNC轉N型的RT-ZA9轉接頭等。而大多數不具備轉接頭的探頭則無法與其他品牌示波器通用。

關鍵字：示波器  探頭基礎  入門指南 編輯：什麼魚 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0513/article_11746.html 本網站轉載的所有的文章、圖片、音頻視頻文件等資料的版權歸版權所有人所有，本站採用的非本站原創文章及圖片等內容無法一一聯繫確認版權者。如果本網所選內容的文章作者及編輯認為其作品不宜公開自由傳播，或不應無償使用，請及時通過電子郵件或電話通知我們，以迅速採取適當措施，避免給雙方造成不必要的經濟損失。

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