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示波器探頭使用以及種類詳細報告

在工程師使用示波器進行測試工作的時候，他們大部分都只留意探頭的電壓范圍和頻率范圍，對探頭其他特性如等效電容、阻抗等特性沒有更深刻的理解，這會導致在某些場景下沒能選擇正確的探頭。事實上，探頭作為一個連接待測點到示波器的中間環(huán)節(jié)， 它與待測設備、示波器共同組成了一個測試系統(tǒng)，任意一個環(huán)節(jié)變化都會引起整個測試系統(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）和無源探頭（內(nèi)部都是無源器件，無需供電），按照測量信號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試中經(jīng)常使用的幾種探頭以及在不同的場景下對應探頭的選擇。

10:1無源探頭

我們經(jīng)常使用的是10:1高阻無源探頭，它的優(yōu)點是高輸入阻抗，動態(tài)范圍寬（一般大可測幾百伏）以及價格便宜，缺點是輸入電容大且需要補償。下圖為10:1高阻無源探頭原理圖：

其中，C可調(diào)可以認為是線纜的電容、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)這個電容令R探頭*C探頭=R示波器*C可調(diào)，對探頭進行補償。此外，示波器內(nèi)也存在寄生電容，同一個示波器的不同通道或者不同示波器的寄生電容都不一樣，所以同一個探頭接到另外一個通道或者另外一個示波器可能需要再次補償。

需要注意的是：

1) 由于負載電容效應的存在，高阻無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。需要測高頻時示波器一般選擇50Ω的輸入阻抗。）

2) 在10:1探頭中經(jīng)過分壓之后示波器收到的信號只有原信號的1/10，所以示波器需要經(jīng)過放大之后再顯示，這種情況會把示波器本底噪聲也放大。探頭的1X則不同，在這個檔位信號不經(jīng)衰減直接進入示波器，所以示波器本底噪聲也不會放大，故1X檔位適用于測小信號或者電源紋波。

有源探頭

有源探頭有輸入電容低、帶寬高、輸入電阻高和無需補償?shù)葍?yōu)點，缺點是成本較高、需要供電和動態(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試的是測試點對地的參考電平，但是差分探頭可以直接測兩個測試點的相對電位差，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，例如在進行浮地測量或者要求共模抑制能力的測試時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、高帶寬的場景，一般能夠提供1MΩ的輸入阻抗和1G以上的帶寬（此時需要示波器選擇50Ω的輸入阻抗進行匹配，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)動較長的線纜。但是由于動態(tài)范圍不高，很容易被高壓破壞，所以使用時應該注意待測電路的電壓范圍防止破壞價格比較高的有源探頭。

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，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試高速信號。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)字信號測試都會使用差分探頭。

此外，對一些帶寬需求不高，但是對動態(tài)范圍反而有一定要求的場景，如浮地測量（浮地測量具體內(nèi)容請查閱前期相關文章），CAN總線的測量等，這時需要使用高壓差分探頭。

電流探頭

有時候我們在測試過程中還需要測試電流，測試電流有專門的電流探頭。示波器基本上就是測量電壓變化的，所以電流探頭實質(zhì)上是把電流參數(shù)按照一定的轉(zhuǎn)化關系轉(zhuǎn)化為電壓，然后示波器再根據(jù)該電壓值得到對應電流大小。電流探頭主要是根據(jù)霍爾效應和電磁感應原理將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。

霍爾效應

主要通過電流通過路徑所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)化為電壓信號測量。電壓探頭中有一個感應環(huán)，測試時把這個環(huán)套在供電線上，電流探頭就能檢測出供電線上電流產(chǎn)生的磁場，然后再轉(zhuǎn)化為電壓信號。這種探頭的好處是可以檢測直流和交流，但是缺點是小電流測量能力有限。我們可以通過把待測線纜在感應環(huán)里多繞幾圈來放大電流產(chǎn)生的磁場，放大倍數(shù)等于繞的圈數(shù)。

電磁感應

利用電磁感應原理測量電流的電流探頭靈敏度高，帶寬也比較高，但是根據(jù)電磁感應原理，無法測量直流電流和低頻電流。

探頭不同條件對測量的影響

一個理想的探頭模型應該具有輸入阻抗無限大、無限帶寬、零輸入電容、動態(tài)范圍無限大、零延時等特點。但是現(xiàn)實中沒有這種理想的探頭。由于各種寄生參數(shù)的存在，不同的測試情況導致的測量結果也可能不一樣。

輸入電容的影響

我們可以通過一個簡單的PP510無源探頭來看一下不同輸入電容對測量的影響，圖3是該無源探頭的數(shù)據(jù)：

從圖3可以看出在1X和10X的檔位的時候輸入電容分別是85pF~120pF和18pF~22pF，10X檔位的時候的輸入電容遠小于1X檔位。我們可以在SDS1104X-E示波器上的通道1分別測試這兩個檔位測量同一個信號的上升時間的不同表現(xiàn)（注意：根據(jù)Trise*BW=0.35可以知道100M帶寬對應的上升時間是3.5ns，PP510無源探頭和100M示波器組成的測量系統(tǒng)的上升時間為4.94，即測量系統(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）。無源探頭直接使用配套的鉤子和接地的小夾子，測量鼎陽STB-3實驗板上的一個100KHz方波的上升時間，結果如圖4和圖5所示：

從上圖結果可以明顯看到1X檔位波形失真比10X檔位波形失真更為嚴重，而且上升時間比10X檔位多了200%。由此我們可以感受到輸入電容對測試結果的影響大小。

此外，改變探頭的衰減比也會對小信號的測量造成影響，在測量小信號的時候使用10X檔位會增大示波器的本底噪聲，故要根據(jù)實際情況來調(diào)節(jié)探頭的測量條件。

接線方式的影響

在上述測量中我們改變接線方式，把無源探頭的鉤子拿掉，接地夾子換成接地彈簧，檔位都設置為10X，測量同一個信號的上升時間。測量結果如圖6所示：

對比圖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量的上升時間比之前減少了6.2%。這時因為探頭與待測器件的引線長度減少了，其中的寄生參數(shù)也對應減小，相對地提高了測量系統(tǒng)的帶寬。所以接地的線長度也會對測量結果造成影響，要減少這方面的影響可以縮短接地線纜的距離。

以上就是對探頭基礎知識的介紹以及幾種不同探頭在不同場合的具體應用情況。在使用探頭測試待測點時，探頭并不是完把信號完整地傳輸?shù)绞静ㄆ鲀?nèi)，需要考慮探頭對待測信號以及示波器的影響。根據(jù)實際的電路特性選擇合適的探頭以及適合的測試環(huán)境，才能得到正確的測量結果，否則有可能得到與實際情況截然不同的結果從而被錯誤的測量結果誤導。
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