- 所有類型的探頭共有的特性簡(jiǎn)介
本節(jié)闡述所有類型探頭共有的一些特性。
一、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。
二、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，所以我們推薦用戶應(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。
[page]三、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)殡娮柙斐傻模€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。
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，所以我們推薦用戶應(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。
[page]三、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)殡娮柙斐傻模€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。
圖2 X1探頭結(jié)構(gòu)模型
當(dāng)信號(hào)頻率升高時(shí)，探頭的容性負(fù)載效應(yīng)就變得更加顯著。由于電纜的類型和長(zhǎng)度的不同以及探頭本身構(gòu)造等原因，1：1探頭的輸入電容通常可以從大約35pF到100pF以上，這等于給被測(cè)電路施加了一個(gè)低阻抗負(fù)載，具有47pF輸入電容1：1探頭在20MHz之下的電抗僅為169W，這就使得這個(gè)探頭在此頻率無(wú)法使用。
我們可以在探頭中增加一個(gè)和示波器輸入阻抗相串聯(lián)的阻抗，用這種辦法就可以減小探頭的負(fù)載效應(yīng)。然而，這就意味著輸入電壓不能完全加到示波器的輸入端，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在已經(jīng)引入了一個(gè)電阻分壓結(jié)構(gòu)。
圖3給出了電阻分壓的探頭等效電路，Rp和Rs構(gòu)成了一個(gè)10：1的分壓器，Rs為示波器的輸入阻抗。調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容C3使得探頭和示波器通道RC乘積相匹配，這樣就能保證在探頭的尖端獲得正確的頻率響應(yīng)曲線，并且這種探頭的頻率響應(yīng)比1：1探頭頻率響應(yīng)要寬得多。
圖3 10：1無(wú)源探頭結(jié)構(gòu)模型
四、示波器探頭最大輸入電壓
多數(shù)通用10：1探頭的構(gòu)造使這些探頭適合于最大輸入電壓為峰值300V或400V的情況下使用，所以這些探頭可以用于信號(hào)電平高達(dá)數(shù)百伏的廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于需要測(cè)量更高電壓的場(chǎng)面合，我們推薦使用電壓額定值更高的100：1或1000：1衰減探頭。
五、探頭自動(dòng)識(shí)別能力
現(xiàn)代示波器探頭都支持編碼能力，使得示波器主機(jī)能夠識(shí)別與它相連接的探頭類型和特性參數(shù)。 從而使示波器能夠自動(dòng)重構(gòu)所有幅度測(cè)量結(jié)果以避免發(fā)生泥淆。而如果使用不帶這種識(shí)別系統(tǒng)的探頭，則用戶就不得不自己為所有波形顯示和測(cè)量結(jié)果重新定義以便反映出探頭的衰減量。力科PP系列高阻抗無(wú)源探頭即能被自動(dòng)識(shí)別出阻抗和衰減比，示波器軟件在還原信號(hào)時(shí)也會(huì)自動(dòng)對(duì)信號(hào)電壓重新定標(biāo)以確保顯示的波形幅度與真實(shí)情況一致。
六、探頭接地引線
探頭接地引線實(shí)質(zhì)可以等效為電感效應(yīng)，接地引線電感與探頭及示波器的輸入電容形成串聯(lián)諧振電路。而探頭的輸入電阻則在諧振電路中引入阻尼。電感效應(yīng)會(huì)造成阻抗不匹配，而且是帶寬越大影響就越大。等效電感的大小與接地線長(zhǎng)度有關(guān)，其越長(zhǎng)電感效應(yīng)就越大，對(duì)波形的破壞效應(yīng)就是會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)的振蕩、過(guò)沖等信號(hào)完整性問(wèn)題帶有接地引線電感的示波器探頭等效電路及效應(yīng)如下圖4。
五、探頭自動(dòng)識(shí)別能力
現(xiàn)代示波器探頭都支持編碼能力，使得示波器主機(jī)能夠識(shí)別與它相連接的探頭類型和特性參數(shù)。 從而使示波器能夠自動(dòng)重構(gòu)所有幅度測(cè)量結(jié)果以避免發(fā)生泥淆。而如果使用不帶這種識(shí)別系統(tǒng)的探頭，則用戶就不得不自己為所有波形顯示和測(cè)量結(jié)果重新定義以便反映出探頭的衰減量。力科PP系列高阻抗無(wú)源探頭即能被自動(dòng)識(shí)別出阻抗和衰減比，示波器軟件在還原信號(hào)時(shí)也會(huì)自動(dòng)對(duì)信號(hào)電壓重新定標(biāo)以確保顯示的波形幅度與真實(shí)情況一致。
六、探頭接地引線
探頭接地引線實(shí)質(zhì)可以等效為電感效應(yīng)，接地引線電感與探頭及示波器的輸入電容形成串聯(lián)諧振電路。而探頭的輸入電阻則在諧振電路中引入阻尼。電感效應(yīng)會(huì)造成阻抗不匹配，而且是帶寬越大影響就越大。等效電感的大小與接地線長(zhǎng)度有關(guān)，其越長(zhǎng)電感效應(yīng)就越大，對(duì)波形的破壞效應(yīng)就是會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)的振蕩、過(guò)沖等信號(hào)完整性問(wèn)題帶有接地引線電感的示波器探頭等效電路及效應(yīng)如下圖4。
圖4 探頭接地引線電感效應(yīng)
舉例來(lái)說(shuō)：
從以上分析可以清楚的看到接地引線電感對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，所以一定要使探頭的接地引線盡可能的短，特別是在測(cè)高頻和快速上升沿的信號(hào)時(shí)尤應(yīng)注意。
七、探頭安全接地
為保證操作者在使用示波器時(shí)的人身安全，多數(shù)示波器都通過(guò)電源線與安全地線相連。被測(cè)信號(hào)有可能和地線具有相同的參考電位，但并非必然如此，因此在連接探頭的地線時(shí)，一定要注意不要因此而把被測(cè)系統(tǒng)的某一部分短路。另一方面，既使被測(cè)系統(tǒng)和示波器的地線具有相同的參考電位，這也并不意味著可以用安全地線來(lái)作信號(hào)返回通路，這是由于安全地線連接走線很長(zhǎng)，具有很大的引線電感，因此不適合作信號(hào)返回通路。這時(shí)一定要用探頭的接地引線來(lái)作為信號(hào)的參考地線。
七、探頭安全接地
為保證操作者在使用示波器時(shí)的人身安全，多數(shù)示波器都通過(guò)電源線與安全地線相連。被測(cè)信號(hào)有可能和地線具有相同的參考電位，但并非必然如此，因此在連接探頭的地線時(shí)，一定要注意不要因此而把被測(cè)系統(tǒng)的某一部分短路。另一方面，既使被測(cè)系統(tǒng)和示波器的地線具有相同的參考電位，這也并不意味著可以用安全地線來(lái)作信號(hào)返回通路，這是由于安全地線連接走線很長(zhǎng)，具有很大的引線電感，因此不適合作信號(hào)返回通路。這時(shí)一定要用探頭的接地引線來(lái)作為信號(hào)的參考地線。
