在工程師使用示波器進(jìn)行測(cè)試工作的時(shí)候,，他們大部分都只留意探頭的電壓范圍和頻率范圍，對(duì)探頭其他特性如等效電容,、阻抗等特性沒(méi)有更深刻的理解,，這會(huì)導(dǎo)致在某些場(chǎng)景下沒(méi)能選擇正確的探頭,。事實(shí)上，探頭作為一個(gè)連接待測(cè)點(diǎn)到示波器的中間環(huán)節(jié),， 它與待測(cè)設(shè)備,、示波器共同組成了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，任意一個(gè)環(huán)節(jié)變化都會(huì)引起整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的變化,。
探頭按照是否需要供電可分為有源探頭（內(nèi)置放大器,，需要外部供電）和無(wú)源探頭（內(nèi)部都是無(wú)源器件，無(wú)需供電）,，按照測(cè)量信號(hào)類型可分為電壓探頭,、電流探頭、光探頭等,。下文主要介紹日常測(cè)試中經(jīng)常使用的幾種探頭以及在不同的場(chǎng)景下對(duì)應(yīng)探頭的選擇,。
10:1無(wú)源探頭
我們經(jīng)常使用的是10:1高阻無(wú)源探頭，它的優(yōu)點(diǎn)是高輸入阻抗,，動(dòng)態(tài)范圍寬（一般最大可測(cè)幾百伏）以及價(jià)格便宜,，缺點(diǎn)是輸入電容大且需要補(bǔ)償。下圖為10:1高阻無(wú)源探頭原理圖：
圖1 10:1高阻無(wú)源探頭原理
其中,，C可調(diào)可以認(rèn)為是線纜的電容,、示波器的電容和可調(diào)電容的并聯(lián)等效值。我們需要調(diào)節(jié)這個(gè)電容令R探頭*C探頭=R示波器*C可調(diào),，對(duì)探頭進(jìn)行補(bǔ)償,。此外，示波器內(nèi)也存在寄生電容,，同一個(gè)示波器的不同通道或者不同示波器的寄生電容都不一樣,，所以同一個(gè)探頭接到另外一個(gè)通道或者另外一個(gè)示波器可能需要再次補(bǔ)償。
需要注意的是：
1) 由于負(fù)載電容效應(yīng)的存在，高阻無(wú)源探頭的高頻特性表現(xiàn)不是很好,。因此這種探頭一般適用于低頻的情況,，根據(jù)圖1，示波器也應(yīng)該選擇1MΩ的輸入阻抗,。（部分示波器可選1MΩ和50Ω的輸入阻抗,。需要測(cè)高頻時(shí)示波器一般選擇50Ω的輸入阻抗。）
2) 在10:1探頭中經(jīng)過(guò)分壓之后示波器收到的信號(hào)只有原信號(hào)的1/10,，所以示波器需要經(jīng)過(guò)放大之后再顯示,，這種情況會(huì)把示波器本底噪聲也放大。探頭的1X則不同,，在這個(gè)檔位信號(hào)不經(jīng)衰減直接進(jìn)入示波器,，所以示波器本底噪聲也不會(huì)放大，故1X檔位適用于測(cè)小信號(hào)或者電源紋波,。
有源探頭
有源探頭有輸入電容低,、帶寬高、輸入電阻高和無(wú)需補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn),，缺點(diǎn)是成本較高,、需要供電和動(dòng)態(tài)范圍低。
有源探頭可以分為單端有源探頭,、差分探頭（有高帶寬和高壓之分）和電流探頭等類型。單端有源探頭和差分探頭的區(qū)別是單端有源探頭測(cè)試的是測(cè)試點(diǎn)對(duì)地的參考電平,，但是差分探頭可以直接測(cè)兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)電位差,，不需要和“地“有聯(lián)系。單端有源探頭屬于一種特殊的差分探頭,，但是它不能代替差分探頭的工作,，例如在進(jìn)行浮地測(cè)量或者要求共模抑制能力的測(cè)試時(shí)就需要使用差分探頭。
單端有源探頭
單端有源探頭內(nèi)部有一個(gè)阻抗比較高的高帶寬的放大器,，需要外部供電,，所以成為有源探頭。它適用于需要高輸入阻抗,、高帶寬的場(chǎng)景,，一般能夠提供1MΩ的輸入阻抗和1G以上的帶寬（此時(shí)需要示波器選擇50Ω的輸入阻抗進(jìn)行匹配，但探頭本身的輸入阻抗還是高阻,，工作原理如下圖2所示）,。有源探頭的放大器比較接近待測(cè)電路，因此環(huán)路較小,，可以減小一系列的寄生參數(shù),，帶寬可以做的更高，并且可以驅(qū)動(dòng)較長(zhǎng)的線纜。但是由于動(dòng)態(tài)范圍不高,，很容易被高壓破壞,，所以使用時(shí)應(yīng)該注意待測(cè)電路的電壓范圍防止破壞價(jià)格比較高的有源探頭。
圖2 有源探頭工作原理
差分有源探頭
差分有源探頭的前端放大器是差分放大器,，共模抑制比的能力比較強(qiáng),，有高帶寬和高電壓的差分有源探頭的分類。
高帶寬的差分有源探頭主要用于測(cè)試高速信號(hào),。這種探頭帶寬比一般的單端有源探頭更高,，一般高速的數(shù)字信號(hào)測(cè)試都會(huì)使用差分探頭。
此外,，對(duì)一些帶寬需求不高,，但是對(duì)動(dòng)態(tài)范圍反而有一定要求的場(chǎng)景，如浮地測(cè)量（浮地測(cè)量具體內(nèi)容請(qǐng)查閱前期相關(guān)文章）,，CAN總線的測(cè)量等,，這時(shí)需要使用高壓差分探頭。
電流探頭
有時(shí)候我們?cè)跍y(cè)試過(guò)程中還需要測(cè)試電流,，測(cè)試電流有專門的電流探頭,。示波器基本上就是測(cè)量電壓變化的，所以電流探頭實(shí)質(zhì)上是把電流參數(shù)按照一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系轉(zhuǎn)化為電壓,，然后示波器再根據(jù)該電壓值得到對(duì)應(yīng)電流大小,。電流探頭主要是根據(jù)霍爾效應(yīng)和電磁感應(yīng)原理將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。
1）霍爾效應(yīng)
主要通過(guò)電流通過(guò)路徑所產(chǎn)生的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)測(cè)量,。電壓探頭中有一個(gè)感應(yīng)環(huán),，測(cè)試時(shí)把這個(gè)環(huán)套在供電線上，電流探頭就能檢測(cè)出供電線上電流產(chǎn)生的磁場(chǎng),，然后再轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),。這種探頭的好處是可以檢測(cè)直流和交流，但是缺點(diǎn)是小電流測(cè)量能力有限,。我們可以通過(guò)把待測(cè)線纜在感應(yīng)環(huán)里多繞幾圈來(lái)放大電流產(chǎn)生的磁場(chǎng),，放大倍數(shù)等于繞的圈數(shù)。
2）電磁感應(yīng)
利用電磁感應(yīng)原理測(cè)量電流的電流探頭靈敏度高,，帶寬也比較高,，但是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，無(wú)法測(cè)量直流電流和低頻電流,。
探頭不同條件對(duì)測(cè)量的影響
一個(gè)理想的探頭模型應(yīng)該具有輸入阻抗無(wú)限大,、無(wú)限帶寬、零輸入電容,、動(dòng)態(tài)范圍無(wú)限大,、零延時(shí)等特點(diǎn),。但是現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有這種理想的探頭。由于各種寄生參數(shù)的存在,，不同的測(cè)試情況導(dǎo)致的測(cè)量結(jié)果也可能不一樣,。
1）輸入電容的影響
我們可以通過(guò)一個(gè)最簡(jiǎn)單的PP510無(wú)源探頭來(lái)看一下不同輸入電容對(duì)測(cè)量的影響，圖3是該無(wú)源探頭的數(shù)據(jù)：
圖3 PP510無(wú)源探頭的參數(shù)
從圖3可以看出在1X和10X的檔位的時(shí)候輸入電容分別是85pF~120pF和18pF~22pF,，10X檔位的時(shí)候的輸入電容遠(yuǎn)小于1X檔位,。我們可以在SDS1104X-E示波器上的通道1分別測(cè)試這兩個(gè)檔位測(cè)量同一個(gè)信號(hào)的上升時(shí)間的不同表現(xiàn)（注意：根據(jù)Trise*BW=0.35可以知道100M帶寬對(duì)應(yīng)的上升時(shí)間是3.5ns，PP510無(wú)源探頭和100M示波器組成的測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間為4.94,，即測(cè)量系統(tǒng)的帶寬為70.85MHz,，所以探頭的帶寬越高，系統(tǒng)越接近示波器的帶寬）,。無(wú)源探頭直接使用配套的鉤子和接地的小夾子,，測(cè)量鼎陽(yáng)STB-3實(shí)驗(yàn)板上的一個(gè)100KHz方波的上升時(shí)間，結(jié)果如圖4和圖5所示：
圖4 PP510使用1X檔位時(shí)示波器測(cè)量結(jié)果
圖5 PP510使用10X檔位時(shí)示波器測(cè)量結(jié)果
從上圖結(jié)果可以明顯看到1X檔位波形失真比10X檔位波形失真更為嚴(yán)重,，而且上升時(shí)間比10X檔位多了200%,。由此我們可以感受到輸入電容對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響大小。
此外,，改變探頭的衰減比也會(huì)對(duì)小信號(hào)的測(cè)量造成影響,，在測(cè)量小信號(hào)的時(shí)候使用10X檔位會(huì)增大示波器的本底噪聲，故要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)節(jié)探頭的測(cè)量條件,。
2）接線方式的影響
在上述測(cè)量中我們改變接線方式,，把無(wú)源探頭的鉤子拿掉，接地夾子換成接地彈簧,，檔位都設(shè)置為10X,，測(cè)量同一個(gè)信號(hào)的上升時(shí)間。測(cè)量結(jié)果如圖6所示：
圖6 PP510使用10X檔位,，把接地夾子換成接地彈簧后測(cè)量結(jié)果
對(duì)比圖5和圖6我們可以發(fā)現(xiàn)改變接線方式，使用探針和接地彈簧測(cè)量的上升時(shí)間比之前減少了6.2%,。這時(shí)因?yàn)樘筋^與待測(cè)器件的引線長(zhǎng)度減少了,，其中的寄生參數(shù)也對(duì)應(yīng)減小，相對(duì)地提高了測(cè)量系統(tǒng)的帶寬,。所以接地的線長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響,，要減少這方面的影響可以縮短接地線纜的距離。
以上就是對(duì)探頭基礎(chǔ)知識(shí)的介紹以及幾種不同探頭在不同場(chǎng)合的具體應(yīng)用情況,。在使用探頭測(cè)試待測(cè)點(diǎn)時(shí),，探頭并不是完全能把信號(hào)完整地傳輸?shù)绞静ㄆ鲀?nèi)，需要考慮探頭對(duì)待測(cè)信號(hào)以及示波器的影響,。根據(jù)實(shí)際的電路特性選擇合適的探頭以及適合的測(cè)試環(huán)境,，才能得到正確的測(cè)量結(jié)果,，否則有可能得到與實(shí)際情況截然不同的結(jié)果從而被錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果誤導(dǎo)。
關(guān)于鼎陽(yáng)
鼎陽(yáng)科技（SIGLENT）是一家專注于通用電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器及相關(guān)解決方案的公司,。
從2005推出第一款數(shù)字示波器產(chǎn)品至今,，10余年來(lái)鼎陽(yáng)科技一直是全球發(fā)展速度最快的數(shù)字示波器制造商。歷經(jīng)多年發(fā)展,，鼎陽(yáng)產(chǎn)品已擴(kuò)展到數(shù)字示波器,、手持示波表、函數(shù)/任意波形發(fā)生器,、頻譜分析儀,、臺(tái)式萬(wàn)用表、直流電源等通用測(cè)試測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品,。2007年,，鼎陽(yáng)與高端示波器領(lǐng)導(dǎo)者美國(guó)力科建立了全球戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。2011年,，鼎陽(yáng)發(fā)展成為中國(guó)銷量領(lǐng)先的數(shù)字示波器制造商,。2014年，鼎陽(yáng)發(fā)布了中國(guó)首款智能示波器SDS3000系列,，引領(lǐng)“人手一臺(tái)”型實(shí)驗(yàn)室使用示波器由功能示波器向智能示波器過(guò)渡的趨勢(shì),。2017年，鼎陽(yáng)發(fā)布打破行業(yè)壟斷,，多項(xiàng)參數(shù)突破國(guó)內(nèi)技術(shù)瓶頸的SDG6000X系列脈沖/任意波形發(fā)生器,，其輸出帶寬高達(dá)500MHz。目前,，鼎陽(yáng)已經(jīng)在美國(guó)克利夫蘭和德國(guó)漢堡成立分公司,，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷全球70多個(gè)國(guó)家，SIGLENT正逐步成為全球知名的測(cè)試測(cè)量?jī)x器品牌,。
關(guān)于鼎陽(yáng)硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫(kù)
鼎陽(yáng)硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫(kù)（簡(jiǎn)稱鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)）由深圳市鼎陽(yáng)科技有限公司領(lǐng)銜創(chuàng)辦,，是中國(guó)第一家“智力眾籌”模式的硬件智庫(kù)。
鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)順時(shí)順勢(shì),，倡導(dǎo)“連接-分享-協(xié)作-創(chuàng)造”的理念,，高舉志愿者服務(wù)的大旗，相信互聯(lián)網(wǎng)是“愛(ài)”的大本營(yíng),，相信人們都有發(fā)自內(nèi)心分享的愿望,。
鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)選擇硬件領(lǐng)域最普遍的七類問(wèn)題：電源，時(shí)鐘,，DDR,，低速總線，高速總線,，EMC,，測(cè)試測(cè)量進(jìn)行聚焦,。尋找“最針尖”的問(wèn)題進(jìn)行研討，針對(duì)“最針尖”的問(wèn)題組織專家答疑,，將硬件大師積累的寶貴知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)變成公眾財(cái)富,，惠及更多硬件人。
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