“ 第三篇主要講解示波器的探頭原理，以及探頭對(duì)測(cè)量的影響。”

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探頭的寄生參數(shù)

探頭是介于被測(cè)信號(hào)和示波器之間的中間環(huán)節(jié)，如果信號(hào)在探頭處已經(jīng)失真了，那么示波器做得再好也沒有用。500MHz的無源探頭本身上升時(shí)間約為700ps，通過這個(gè)探頭測(cè)試一個(gè)上升時(shí)間為530ps的信號(hào)，即使不考慮示波器的帶寬影響，經(jīng)過探頭后的信號(hào)上升時(shí)間已經(jīng)變?yōu)?60ps。

圖1. 探頭帶寬對(duì)上升時(shí)間測(cè)量的影響

探頭對(duì)測(cè)試的影響，包括兩部分：探頭對(duì)被測(cè)電路的影響以及探頭本身造成的信號(hào)失真。為了考量探頭對(duì)測(cè)量的影響，通常可以把探頭輸入電路簡(jiǎn)單等效為圖2.所示的R，L，C的模型，進(jìn)行分析。

圖2. 簡(jiǎn)化的R，L，C探頭模型

探頭本身有輸入電阻，為了盡可能減少對(duì)被測(cè)電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。Rprobel不可能無窮大，所以會(huì)與被測(cè)電路產(chǎn)生分壓。為了避免探頭電阻負(fù)載造成的影響，一般要求探頭的輸入電阻大于源阻抗以及負(fù)載阻抗的10倍以上。大部分探頭輸入阻抗在幾十KΩ到幾十MΩ之間。

探頭本身還有電容，這個(gè)電容是寄生電容，是影響探頭帶寬的最重要因素，因?yàn)檫@個(gè)電容會(huì)衰減高頻成分，把信號(hào)的上升沿變緩慢。一般無源探頭的輸入電容在10pF到幾百pF之間，帶寬高的有源探頭輸入電容在0.2pF到幾pF之間。

圖3.無源探頭和有源探頭的輸入阻抗隨頻率變化曲線

探頭輸入的信號(hào)還會(huì)受到寄生電感的影響。寄生電感主要是探頭和被測(cè)電路間的導(dǎo)線，和探頭的地線形成。當(dāng)電感值太大，寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，在輸入信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)品高頻諧振，造成信號(hào)失真。所以測(cè)試高頻時(shí)需要嚴(yán)格控制信號(hào)和地線的長(zhǎng)度。

圖4. 探頭寄生電感引起的諧振

在了解探頭的結(jié)構(gòu)后，還需要了解示波器的輸入接口的結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@是連接探頭的位置，這兩部分共同組成了我們的探測(cè)系統(tǒng)。大部分示波器輸入接口采用BNC或兼容BNC的形式。很多示波器在輸入端有1MΩ或50Ω可切換的匹配電阻，不同的種類的探頭需要不同的匹配電阻。

從電壓測(cè)量角度來說，為了減小對(duì)被測(cè)電路的影響，示波器可以用1MΩ的高輸入阻抗，但高阻抗電路的帶寬對(duì)寄生電容的影響很敏感。所以1MΩ輸入阻抗廣泛用于500MHz帶寬以下的測(cè)量。對(duì)于更高頻的測(cè)量，通常采用50Ω的傳輸線，所以需要示波器50Ω的輸入電阻匹配。

圖5.示波器輸入端的匹配電阻

02

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常用探頭的介紹

探頭的分類：

• 高阻無源探頭

無源探頭是指探頭內(nèi)部沒有需要供電的有源器件，高阻無源探頭是應(yīng)用最為廣泛，與示波器相連時(shí)，要求示波器端的輸入阻抗是1MΩ，如圖6.是一個(gè)10：1的高阻無源探頭的原理框圖。

圖6.高阻無源探頭的原理

無源探頭通常會(huì)有1m長(zhǎng)的連接線，另外示波器輸入端也有寄生電容，這些都會(huì)影響帶寬，為了改善高頻響應(yīng)，高阻無源探頭前端會(huì)有相應(yīng)的匹配電路，最典型的就是一個(gè)Rtip和Ctip的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。探頭要在帶內(nèi)產(chǎn)生平坦增益的一個(gè)條件要滿足RtipxCtip=RscopexCscope。一般的高阻探頭在連接示波器的一端會(huì)有一個(gè)可調(diào)電容Ccomp，示波器會(huì)提供一個(gè)低頻方波的輸出，通過觀察探頭測(cè)量到的這個(gè)方波形狀可以調(diào)整Ccomp的值。如圖7.

圖7.無源探頭的補(bǔ)償電路對(duì)方波測(cè)量的影響

Rprobe在改善頻響的同時(shí)會(huì)和示波器輸入阻抗產(chǎn)生一個(gè)分壓，這個(gè)分壓比最常見是10：1，進(jìn)入示波器的電壓是真實(shí)電壓的1/10,信號(hào)經(jīng)過探頭有一個(gè)10倍的衰減。無源探頭通常標(biāo)配15cm長(zhǎng)的黑色地線夾，這么長(zhǎng)的地線由于寄生電感，在測(cè)高頻信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的振蕩，在有開關(guān)電源的場(chǎng)合還會(huì)耦合很大的噪聲。即使500M Hz的無源探頭在使用這種地線時(shí)最多只能達(dá)到200-300M Hz的帶寬。如果需要高頻測(cè)量，就需要換相應(yīng)的短地線。

• 低阻無源探頭

低阻無源探頭又稱為傳輸線探頭，其等效電路是前端串聯(lián)了一個(gè)分壓電阻，使用時(shí)要求示波器的輸入阻抗設(shè)置為50Ω。低阻無源探頭帶寬較高，可以達(dá)到數(shù)G Hz。缺點(diǎn)是輸入阻抗低，并聯(lián)在電路中會(huì)改變被測(cè)電路的阻抗和分壓關(guān)系。

圖8.低阻無源探頭的原理框圖

• 有源探頭

有源探頭指需要供電的探頭，這種探頭中有專門的放大器電路，放大器需要供電，所以稱為有源探頭。有源探頭有甚多種，例如單端有源探頭，差分探頭，電流探頭等.

有源探頭要求示波器采用50Ω的匹配方式，以保證后端的傳輸帶寬。有源探頭本身的輸入阻抗還是高阻，可以1MΩ的阻抗，有源探頭放大器可以盡可能靠近被測(cè)電路，信號(hào)環(huán)路小，減少了很多寄生參數(shù)，帶寬可以到數(shù)G Hz。有源探頭的缺點(diǎn)是有限的動(dòng)態(tài)范圍，受限于高帶寬放大器正常工作的電壓范圍，一般有源探頭動(dòng)態(tài)范圍在幾伏以內(nèi)。

單端有源探頭：

圖9.單端有源探頭工作原理

差分探頭：

差分有源探頭其前端是差分放大器，好處是可以直接測(cè)量高速的差分信號(hào)，同時(shí)其共模抑制比高，對(duì)共模噪聲的抑制能力比較好。差分探頭分兩種：高帶寬的差分探頭，其帶寬可以達(dá)到30G Hz，動(dòng)態(tài)范圍小，在5V甚至2.5V以內(nèi)；高壓差分探頭，其帶寬不太高，在200M Hz以內(nèi)，可測(cè)電壓范圍比較大，幾十伏到幾千伏。

圖10.差分有源探頭原理

霍爾元件電流探頭：

示波器本身只能測(cè)量電壓，要測(cè)電流時(shí)，需要把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓量，常用的電流轉(zhuǎn)換成電壓量的方法---霍爾元件法。利用霍爾器件的磁電效應(yīng)，把被測(cè)電流路徑感生出的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行測(cè)量。大多示波器廠商都提供基于霍爾效應(yīng)的電流探頭。電流探頭的前端有一個(gè)磁環(huán)，磁環(huán)套在被測(cè)電線，收集電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。磁環(huán)的磁通量與電流成正比，同時(shí)磁環(huán)內(nèi)部有一個(gè)霍爾傳感器，可以檢測(cè)磁通量，其輸出電壓與磁通量呈正比。典型電流探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)是0.1V/A或0.01V/A。霍爾元件探頭可以進(jìn)行直流和交流的測(cè)量。其缺點(diǎn)是受限于示波器的底噪聲，其小電流能力有限，一般小于10mA的電流就很難測(cè)量。如果需要更小的電流測(cè)量，可以把被測(cè)電線在探頭上多繞幾圈。

圖11. 霍爾元件法電流探頭

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探頭對(duì)測(cè)量的影響

• 探頭前端對(duì)測(cè)量的影響

使用探頭測(cè)試時(shí)，具體使用環(huán)境下很多因素都會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果，其中最常見的就是探頭和被測(cè)件之間的連接方式，不同連接方式提供的系統(tǒng)帶寬可能會(huì)不一樣。圖12.是典型的有源探頭的前端部分的等效電路圖。放大器前面的連接部分是一段阻抗不受控的連接線，有很多等效電容和電感，這部分對(duì)系統(tǒng)帶寬，高頻的輸入阻抗，頻率響應(yīng)影響很大。放大器后面通常是50Ω的傳輸線，對(duì)于系統(tǒng)帶寬影響較小。減小引線對(duì)系統(tǒng)帶寬的影響的方法是縮短探頭和被測(cè)件的連接線長(zhǎng)度。

圖12. 有源探頭前端的等效電路

• 探頭的負(fù)載效應(yīng)

探頭在測(cè)試時(shí)，會(huì)成為電路的一部分，附加到被測(cè)設(shè)備的探頭和探測(cè)附件會(huì)給電路帶來電阻，電容，電感和失配負(fù)載。由于負(fù)載效應(yīng)不同，會(huì)在頻域中影響探頭的帶寬和頻響，并在時(shí)域中帶來過沖，振鈴和直流偏置問題。因此，探頭的負(fù)載對(duì)于被測(cè)電路的影響，是影響測(cè)量精度的一個(gè)重要因素。知道了探頭的負(fù)載效應(yīng)，就可用于構(gòu)建等效電路模型，評(píng)估寄生參數(shù)，以消除探頭導(dǎo)致的負(fù)載效應(yīng)。探頭負(fù)載不是一個(gè)常數(shù)，它隨著頻率變化。

探頭的負(fù)載效應(yīng)由以下幾方面構(gòu)成：

阻性負(fù)載：在直流和低頻范圍內(nèi)，主要的負(fù)載是探頭的輸入電阻。若被測(cè)電路的阻抗比探頭的阻抗還大，流經(jīng)電路的大部分電流會(huì)流入探頭，會(huì)降低被探測(cè)點(diǎn)的電壓。影響直流參數(shù)，例如直流幅度精度，直流偏置。

容性負(fù)載：電容負(fù)載隨著頻率而增加，在高頻時(shí)，電容負(fù)載起作用，將高頻信號(hào)引入到地，極大降低了探頭的輸入阻抗。容性負(fù)載對(duì)高阻無源探頭非常重要，它會(huì)顯著限制探頭的帶寬和降低信號(hào)的邊沿速度。

感性負(fù)載：該負(fù)載主要來自探頭探針到地產(chǎn)生的環(huán)路電感，磁通在該環(huán)路產(chǎn)生感應(yīng)電壓，如果自諧振不是阻尼的，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)出現(xiàn)明顯的過沖。導(dǎo)致被測(cè)信號(hào)失真。

探頭對(duì)測(cè)量的影響：

左圖：探測(cè)測(cè)試點(diǎn)在信號(hào)源負(fù)載上增加了探頭和示波器阻抗，導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)吸收部分電流。右圖：信號(hào)源阻抗越高，探測(cè)導(dǎo)致的負(fù)載越大。這種情況下，所有阻抗都相等，探測(cè)導(dǎo)致測(cè)試點(diǎn)上的信號(hào)幅度下降了30%以上。

• 如何判斷探頭負(fù)載對(duì)電路影響的程度

可以使用一種簡(jiǎn)單的方法，通常稱為雙探測(cè)技術(shù)。首先，選擇一個(gè)想用的探頭，將其連接到已知的目標(biāo)階躍信號(hào)。保存該波形，以便示波器進(jìn)行參考。接著拿第二個(gè)探頭將其附加到相同的探測(cè)點(diǎn)。第二個(gè)探頭必須與連接附件的探頭完全相同。這時(shí)刻意看到使用兩個(gè)探頭探測(cè)與僅與一個(gè)探頭時(shí)的波形變化，變化越大說明探頭負(fù)載效應(yīng)越大。