無源探頭是一種將示波器連接到受測試器件或電路的很好方法。它們具有低成本和高可靠性的優(yōu)點，當正確使用時，還提供合理的信號完整性。本文將從工作原理入手，通過基本調(diào)節(jié)和使用，對無源探頭進行探討。我們將討論影響正確測量的無源探頭特征，旨在了解這些裝置的最有效應用。示波器通常提供50Ω或1 MΩ的輸入端接。50Ω端接通常與匹配的同軸電纜配合使用，以連接到帶50Ω電流源的電路元件。這樣，不但可以實現(xiàn)高質(zhì)量的互連，而且只產(chǎn)生最小的信號失真。使用1 MΩ輸入端接來連接電路時，源阻抗更高。這種連接可以通過多種方式實現(xiàn)，包括直接使用電纜或X1探頭，或者使用高阻抗探頭。

1MΩ輸入端還包括從15至25 pF的分路電容。使用直接連接時，不匹配的電纜會增加額外的電容，每英尺電纜長度增加10至30微微法拉(pF)。在3英尺長度電纜的典型情況下，電纜的探頭端的負載為1 MΩ，并聯(lián)電容大約為90 pF（圖1a）。對于低頻率測量，電容負載可以忽略不計。例如，在1 kHz的頻率下，容抗約為1.8 MΩ。但是，對于更高頻率的信號，效果會很差。在100 MHz的頻率下，容抗降低至大約18Ω，這將大幅衰減信號。如高阻抗探頭（圖1b）所示可以減小示波器和連接電纜的輸入電容的影響。此探頭基本上是補償衰減器。輸入電阻器，標稱為9 MΩ，形成10:1衰減器，示波器使用1 MΩ輸入端接。電容器Cin和Ccomp被用于補償衰減器，并形成全通網(wǎng)絡。當Cin和Rin的RC乘積等于Ro的RC乘積以及Cin和Ccomp的電纜電容的總和時，補償比較理想。Ccomp用于調(diào)節(jié)補償。輸入端的電容取決于Cin，約為電路中的其他電容器的總和的十分之一。在本例中大約為10 pF。高阻抗無源探頭Chrent幾乎所有主要示波器供應商都在他們的設備中包括了一系列高阻抗探頭。Teledyne LeCroy的HDO4104A四通道、1GHz示波器帶有四個PP018-1探頭。它們是10:1高阻抗無源探頭，帶寬為500MHz，輸入電容為10pF。這些探頭可處理至少350Vrms的輸入電壓。

大多數(shù)無源探頭使用衰減檢測引腳，通知示波器自動縮放波形，而無需用戶輸入。高阻抗探頭的低頻率補償Chrent高阻抗探頭通過低頻率補償過程，與它們連接到的通道相匹配。對于這個過程，所有示波器都提供低頻率方波，一般頻率為1 kHz，通常稱為CAL輸出。要利用這項功能，請首先將探頭連接到所需的通道，然后將探頭尖端連接到CAL輸出端。觸發(fā)示波器并在屏幕上查看選定通道軌跡。使用調(diào)節(jié)工具，在探頭連接器盒中更改補償調(diào)節(jié)，以獲取方波軌跡上的方角，如中間的軌跡所示。

每當探頭連接到不同通道時，就應該進行補償，特別是在任何關鍵測量之前。很多高阻抗探頭還提供高頻補償調(diào)節(jié)。通常不需要執(zhí)行這種調(diào)節(jié)。智能探測Chrent要正確應用高阻抗探頭，必須注意它的基本原理，避免導致測量的波形出現(xiàn)失真。例如，探頭的輸入電容將對測量產(chǎn)生什么影響？為了找到問題答案，請計算探頭在信號的最高頻率分量處的容抗(1/2πfCin)。受測試電路是否支持該負載？如果支持，請繼續(xù)測試。如果不支持，請尋找不同的探測解決方案，例如有源探頭。一條很好的經(jīng)驗法則是，高阻抗探頭的使用應限于25 MHz以下頻率的信號。探頭手冊通常提供了探頭輸入阻抗與頻率的曲線圖，以幫助評估探頭在任何特定頻率下的適用性。探頭配件也可能導致問題，特別是在高頻率下。一種情況是接地引線電感。圖2顯示的接地引線長度約為4.3英寸(11 cm)。它有很大的電感。當探頭連接時，電感兩端的任何電壓都將與信號串行。讓接地路徑長度盡可能短是可取的做法。為此，探頭附帶提供了多種配件。其中包括探頭尖端接地和BNC適配器，可用于這種目的。圖4比較了使用不同接地配件來測量階躍信號的結果，上升時間為3納秒(ns)。圖4中的黃色軌跡是來自發(fā)生器的信號，它使用50Ω輸入端接進行測量得到，將作為信號質(zhì)量的基準。紅色軌跡為使用11 cm接地引線的結果。引線電感兩端形成的信號的高頻分量導致了可觀察到的波形過沖。探頭尖端接地和BNC適配器具有大致相同的響應，但過沖卻小得多，因為接地路徑長度更短，且各自串聯(lián)電感也比較低。正如上文所述，只有在信號具有很大的高頻分量時，才會出現(xiàn)這種效果。如果使用正弦波進行相同的測量，差異可能根本不明顯。在使用探頭時，請牢記這些效應。探頭配件及其用途Chrent表1列出了PP018-1-ND探頭附帶提供的配件及其用途。

為示波器選擇備選探頭Chrent有些時候，測量應用可能需要不同的示波器探頭。例如，電源測試既需要直接連接，以便進行紋波測量，又需要x10高阻抗探頭，以便測量電壓軌。如果必須在兩個探頭之間切換，那將會耗費很多時間，但多個x1/x10可切換探頭。這意味著用戶無需更換探頭，但如何確定適當?shù)奶娲筋^呢？第一個步驟是確定測量所需的帶寬。在本例中，100 MHz以下的探頭帶寬即可滿足需求。確定探頭的最大額定電壓，以確保它符合測量要求。最后，確認示波器的輸入電容在探頭x10規(guī)范的補償范圍內(nèi)。SP300B x1/x10可切換探頭非常適合與具有15 pF輸入電容的HDO 4104A示波器配合使用，帶寬為300 MHz，最大輸入為300伏特，補償范圍為10至35 pF。結論要正確應用高阻抗無源探頭，就需要掌握有關測試問題和技術的基本知識，還需要具備一些經(jīng)驗，此類探頭是一種很好的通用工具，用于將示波器連接到測試電路。請記住，它們并不是探測問題的唯一解決方案，但提供了經(jīng)濟高效的著手點。

審核編輯：符乾江