探頭－測量質量的關鍵環節！

探頭對示波器測量至關重要。為了解其重要意義，從示波器上不連接探頭，試著進行測量，結果是不能進行測量。在被測信號和示波器的輸入通道之間必需有某類電連接，也就是某類探頭。

探頭除對示波器測量至關重要外，探頭對測量質量也非常關鍵。把探頭連接到電路上可能會影響電路操作，示波器只能顯示和測量探頭傳送到示波器輸入上的信號。

因此，探頭對探測的電路影響必須達到最小，并對所期望的測量保持足夠的信號保真度。如果探頭不能保持信號保真度，如果它以任何方式改變信號或改變電路運行的方式，示波器會看到實際信號的失真結果，進而可能會導致錯誤的測量結果或誤導性的測量結果。

探頭選型指南

信號源怎樣把其屬性轉換成相應探頭選型指標？與以前一樣，我們的目標是選擇能夠最好地探測信號到示波器的探頭。但是，還不止于此。示波器提出了某些要求，在選擇探頭的過程中，必須考慮這些要求。

本章考察了各種選型要求，我們首先介紹信號源提出的要求。

選擇適當的探頭

由于廣泛的示波器測量應用和需求，市場上可供選擇的示波器探頭很多，因此探頭選擇過程很容易引起混淆。

為減少大量的混淆及縮小選擇過程，應一直遵守示波器制造商的探頭建議，這一點非常重要！因為不同的示波器是有不同的帶寬、上升時間、靈敏度和輸入阻抗。充分利用示波器的測量功能要求探頭要與示波器的設計相匹配。

此外，探頭選擇過程應考慮測量需求。您要測量哪些項目？是電壓？電流？還是光信號？通過選擇適合信號類型的探頭，可以更快地獲得直接測量結果。

另外，要考慮測量的信號幅度。它們是否位于示波器的動態范圍內？如果不是，必需選擇可以調節動態范圍的探頭。一般來說，這通過使用10X 或更高的探頭進行衰減來實現。

要保證探針上的帶寬或上升時間應超過計劃測量的信號頻率或上升時間。要記住，非正弦曲線信號具有重要的頻率成分或諧波，其可能會在很大程度上超過信號的基頻。例如，為了測量包括100MHz方形波的第5個諧波，您需要探針上的帶寬為500MHz的測量系統。類似的， 示波器系統的上升時間應該比計劃測量的信號上升時間快 3-5 倍。

另外，應一直考慮探頭可能導致的信號負載。盡量使用高電阻、低電容探頭。對大多數應用，帶有20pF或更低電容的10M探頭應為信號源負載提供充足的保證。但是，對某些高速數字電路，您可能需要轉向有源探頭提供較低的電容。

最后記住在進行測量前，必須能夠把探頭連接到電路上。這可能要求選擇時專門考慮探頭頭部規格和探針適配器，以簡單方便地連接電路。

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理解信號源

在選擇探頭時要考慮四個基本信號源問題，即信號類型、信號頻率成分、信號源阻抗和測試點的物理屬性。

信號類型：探頭選擇的第一步是評估要探測的信號類型。為此，可以把信號劃分為：

■電壓信號

■電流信號

■邏輯信號

■其它信號

電壓信號是電子器件測量中最經常遇到的信號類型，也正因如此，電壓傳感探頭是最常用的示波器探頭類型。此外，應該指出，由于示波器在輸入上要求電壓信號，因此其它類型的示波器探頭在本質上是把傳感到的現象轉換成相應電壓信號的轉換器。一個常見實例是電流探頭，它把電流信號轉換成電壓信號，以在示波器查看信號。

邏輯信號實際上是特殊類型的電壓信號。可以使用標準電壓探頭查看邏輯信號，但更常見的情況是必需查看特定的邏輯事件。設置一個邏輯探頭提供觸發信號給示波器，當滿足規定的邏輯組合觸發條件，這允許在示波器顯示屏上查看特定的邏輯事件。

限制帶寬的主要影響是降低信號幅度。信號的基頻越接近探頭的3dB帶寬，探頭輸出上看到的整體信號幅度越低。在3dB 點上，幅度下降30%。此外，由于帶寬滾降，擴展到探頭帶寬之上的信號諧波或其它頻率成分會經歷更高程度的衰減。在較高的頻率成分上衰減程度較高，可以通過拐角的變化及快速波形轉換沿的變慢看出這一點(參見下圖)。

還應該指出，探針電容也限制著信號轉換的上升時間。但是，這與信號源阻抗和信號源負載有關。

信號源阻抗

討論信號源阻抗阻抗可以提煉為下面幾個要點：

1. 探頭的阻抗與信號源阻抗相結合，產生新的信號負載阻抗，其在一定程度上會影響信號幅度和信號上升時間。

2. 在探頭阻抗明顯高于信號源阻抗時，探頭對信號幅度的影響可以忽略不計。

3. 探針電容也稱為輸入電容，影響著信號的上升時間。這是由于把探頭的輸入電容從10%提高到90%所需的時間導致的，其公式如下：

tr = 2.2 xRsource x Cprobe

從上面幾點中，可以明顯看出最好選擇高阻抗、低電容探頭，以最大限度降低信號源的探頭負載。此外，通過在可能的地方選擇低阻抗信號測試點，可以進一步降低探頭負載的影響。

物理連接考慮因素

信號測試點的位置和形狀也是探頭選擇的主要考慮因素。其是否足夠，剛好把探頭接觸到測試點上、在示波器上觀察信號？還是必需使探頭連接測試點，以監測信號，同時進行各種電路調節？對前一種情況，適合采用針式探針；而對后一種情況，則要求某類可收縮的掛鉤探針。

測試點的規格也影響著探頭選擇。標準規格的探頭和配件特別適合探測連接器針腳、電阻器引線和背板。但為了探測表面封裝電路，我們推薦使用帶有為表面封裝應用專門設計的配件的小型探頭。目標是選擇最適合特定應用的探頭規格、形狀和配件，從而可以迅速、簡便、牢固地把探頭連接到測試點上，以可靠地進行測量。

示波器問題：示波器問題對探頭選型的影響與信號源問題一樣重要。如果探頭與示波器不匹配，將損害探頭的示波器一端信號保真度。

帶寬和上升時間：必需認識到，示波器及其探頭是作為一個測量系統一起工作的。因此，使用的示波器帶寬和上升時間指標應大于等于使用的探頭指標，使其足以測量信號。

這些探頭放大器系統專用程度高，是為了與特定的示波器型號匹配而設計的。結果，在選擇示波器時一定要檢查制造商為差分探頭系統推薦的配件，以滿足小信號應用要求。

注意：差分探頭系統通常包含靈敏的器件，過壓可能會損壞這些器件，包括靜電放電。為避免損壞探頭系統，一直應遵循制造商的建議，并遵守所有注意事項。

讀數功能。大多數現代示波器在屏幕上提供了垂直靈敏度和水平靈敏度設置(伏/格和秒/格)的讀數。這些示波器通常還提供了探頭傳感和讀數處理功能，從而讀數可以正確跟蹤使用的探頭類型。例如，如果使用10X 探 頭，通過以10X 系數調節垂直讀數，示波器應大體反映靈敏度。如果使用電流探頭，垂直讀數將從伏/格變為安培/格，以體現正確的度量單位。

為利用這些讀數功能，應使用兼容示波器讀數系統的探頭。也應該遵循制造商與特定示波器一起使用探頭的建議。這對新型示波器尤其重要，其可能具有許多通用探頭或商用探頭沒有全面支持的高級讀數功能。

選擇正確的探頭

從前面討論的信號源和示波器問題中可以明顯看出，如果沒有一定的幫助，選擇適當的探頭是一個非常麻煩的過程。事實上，由于并沒有一直指定某些關鍵選擇標準，如探頭上升時間和示波器輸入電容，在某些情況下選擇過程可能會變成猜測性的工作。

為避免猜測性的工作，最好選擇在推薦配件清單中包括可以廣泛選擇探頭的適配器。另外，在遇到新的測量要求時，一定要與示波器制造商核對新推出的、可能擴展示波器功能的探頭。

最后，記住對任何給定應用，實際上并沒有“合適的”探 頭選型，而只有“合適的”示波器 / 探頭組合選項，它 們首先取決于界定的信號測量要求，包括：

■信號類型(電壓, 電流, 光接口等等)

■信號頻率成分(帶寬問題) 信號上升時間

■信號源阻抗(電阻和電容)

■信號幅度(最大值, 最小值) 測試點形狀(帶引線的器件, 表面封裝等)

通過考慮上述問題及填寫具體的應用信息，可以找到能夠滿足所有應用需求的示波器和各種兼容探頭。

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