圖1 示波器探頭的作用

 

探頭的選擇和使用需要考慮如下兩個方麵：

 

其一：因為探頭有負載效應，探頭會直接影響被測信號和被測電路;

 

其二：探頭是整個示波器測量係統的一部分，會直接影響儀器的信號保真度和測試結果

 

一
、探頭的負載效應

 

當探頭探測到被測電路後
，探頭成為了被測電路的一部分。探頭的負載效應包括下麵3部分：

 

1. 阻性負載效應;

2. 容性負載效應;

3. 感性負載效應。

 

圖2 探頭的負載效應

 

阻(zu)性(xing)負(fu)載(zai)相(xiang)當(dang)於(yu)在(zai)被(bei)測(ce)電(dian)路(lu)上(shang)並(bing)聯(lian)了(le)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)，對(dui)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)有(you)分(fen)壓(ya)的(de)作(zuo)用(yong)
，影(ying)響(xiang)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)幅(fu)度(du)和(he)直(zhi)流(liu)偏(pian)置(zhi)。有(you)時(shi)，加(jia)上(shang)探(tan)頭(tou)時(shi)，有(you)故(gu)障(zhang)的(de)電(dian)路(lu)可(ke)能(neng)變(bian)得(de)正(zheng)常(chang)了(le)。一(yi)般(ban)推(tui)薦(jian)探(tan)頭(tou)的(de)電(dian)阻(zu)R>10倍被測源電阻，以維持小於10%的幅度誤差。

 

圖3 探頭的阻性負載

 

容(rong)性(xing)負(fu)載(zai)相(xiang)當(dang)於(yu)在(zai)被(bei)測(ce)電(dian)路(lu)上(shang)並(bing)聯(lian)了(le)一(yi)個(ge)電(dian)容(rong)，對(dui)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)有(you)濾(lv)波(bo)的(de)作(zuo)用(yong)，影(ying)響(xiang)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)上(shang)升(sheng)下(xia)降(jiang)時(shi)間(jian)

，影(ying)響(xiang)傳(chuan)輸(shu)延(yan)遲(chi)
，影(ying)響(xiang)傳(chuan)輸(shu)互(hu)連(lian)通(tong)道(dao)的(de)帶(dai)寬(kuan)。有(you)時(shi)，加(jia)上(shang)探(tan)頭(tou)時(shi)，有(you)故(gu)障(zhang)的(de)電(dian)路(lu)變(bian)得(de)正(zheng)常(chang)了(le)
，這(zhe)個(ge)電(dian)容(rong)效(xiao)應(ying)起(qi)到(dao)了(le)關(guan)鍵(jian)的(de)作(zuo)用(yong)。一(yi)般(ban)推(tui)薦(jian)使(shi)用(yong)電(dian)容(rong)負(fu)載(zai)盡(jin)量(liang)小(xiao)的(de)探(tan)頭(tou)，以(yi)減(jian)小(xiao)對(dui)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)邊(bian)沿(yan)的(de)影(ying)響(xiang)。

 

圖4 探頭的容性負載

 

感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)來(lai)源(yuan)於(yu)探(tan)頭(tou)地(di)線(xian)的(de)電(dian)感(gan)效(xiao)應(ying)
，這(zhe)地(di)線(xian)電(dian)感(gan)會(hui)與(yu)容(rong)性(xing)負(fu)載(zai)和(he)阻(zu)性(xing)負(fu)載(zai)形(xing)成(cheng)諧(xie)振(zhen)，從(cong)而(er)使(shi)顯(xian)示(shi)的(de)信(xin)號(hao)上(shang)出(chu)現(xian)振(zhen)鈴(ling)。如(ru)果(guo)顯(xian)示(shi)的(de)信(xin)號(hao)上(shang)出(chu)現(xian)明(ming)顯(xian)的(de)振(zhen)鈴(ling)
，需(xu)要(yao)檢(jian)查(zha)確(que)認(ren)是(shi)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)真(zhen)實(shi)特(te)征(zheng)還(hai)是(shi)由(you)於(yu)接(jie)地(di)線(xian)引(yin)起(qi)的(de)振(zhen)鈴(ling)，檢(jian)查(zha)確(que)認(ren)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)使(shi)用(yong)盡(jin)量(liang)短(duan)的(de)接(jie)地(di)線(xian)。一(yi)般(ban)推(tui)薦(jian)使(shi)用(yong)盡(jin)量(liang)短(duan)的(de)地(di)線(xian)
，一(yi)般(ban)地(di)線(xian)電(dian)感(gan)=1nH/mm。

 

圖5 探頭的感性負載

 

二、探頭的類型

 

示波器探頭大的方麵可以分為：無源探頭和有源探頭兩大類。無源有源顧名思義就是需不需要給探頭供電。

 

無源探頭細分如下：

 

1. 低阻電阻分壓探頭;

2. 帶補償的高阻無源探頭(最常用的無源探頭);

3. 高壓探頭

 

有源探頭細分如下：

 

1. 單端有源探頭;

2. 差分探頭;

3. 電流探頭

 

最常用的高阻無源探頭和有源探頭簡單對比如下：

 

表1 有源探頭和無源探頭對比

 

低阻電阻分壓探頭具備較低的電容負載(<1pf)，較高的帶寬(>1.5GHz)
，較低的價格，但是電阻負載非常大，一般隻有500ohm或1Kohm，所以隻適合測試低源阻抗的電路，或隻關注時間參數測試的電路。

 

圖6 低輸入電阻探頭結構

 

帶補償的高阻無源探頭是最常用的無源探頭，一般示波器標配的探頭都是此類探頭。帶補償的高阻無源探頭具備較高的輸入電阻(一般1Mohm以上)，可調的補償電容，以匹配示波器的輸入，具備較高的動態範圍，可以測試較大幅度的信號(幾十幅以上)，價格也較低。但是不知之處是輸入電容過大(一般10pf以上)，帶寬較低(一般500MHz以內)。

 

圖7 常用的無源探頭結構

 

帶補償的高阻無源探頭有一個補償電容，當接上示波器時

，一般需要調整電容值(需要使用探頭自帶的小螺絲刀來調整，調整時把探頭連接到示波器補償輸出測試位置)，yiyushiboqishurudianrongpipei
，yixiaochudipinhuogaopinzengyi。xiatudezuobianshicunzaigaopinhuodipinzengyi，tiaozhenghoudebuchangxinhaoxianshiboxingruxiatudeyoubiansuoshi。

 

圖8 無源探頭的補償

 

高壓探頭是帶補償的無源探頭的基礎上，增大輸入電阻

，使得衰減加大(如：100:1或1000:1等)。因為需要使用耐高壓的元器件
，所以高壓探頭一般物理尺寸較大。

 

圖9 高壓探頭的結構

 

三、有源探頭

 

我們先來觀察一下用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測試1ns上升時間階躍信號的影響。使用脈衝發生器產生一個1ns的階躍信號
，通過測試夾具後，使用SMA電纜直接連接到一個1.5GHz帶寬的示波器上，這樣示波器上會顯示一個波形(如下圖中的蘭色信號)，把這個波形存為參考波形。然後使用探頭點測測試夾具去探測被測信號，通過SMAzhiliandeboxingyinweishoutantoufuzaideyingxiangerbianchenghuangsedeboxing，tantoutongdaoxianshideshilvsedeboxing。ranhoufenbieceshishangshengshijian，keyikanchuwuyuantantouheyouyuantantouduigaosuxinhaodeyingxiang。

 

圖10 無源探頭和有源探頭對被測信號和測量結果的影響

 

具體測試結果如下：

 

使用1165A 600MHz無源探頭，使用鱷魚嘴接地線：受探頭負載的影響
，上升時間變為：1.9ns;探頭通道顯示的波形存在振鈴
，上升時間為：1.85ns;

使用1156A 1.5GHz有源探頭
，使用5cm接地線：受探頭負載的影響較小，上升時間仍為：1ns;探頭通道顯示的波形與原始信號一致，上升時間仍為：1ns。

 

單端有源探頭結構圖如下，使用放大器實現阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高(一般達100Kohm以上)
，而輸入電容較小(一般小於1pf)，通過探頭放大器後連接到示波器，示波器必須使用50ohm輸入阻抗。有源探頭帶寬寬(現在可達30GHz)
，而負載小，但是價格相對較高(一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10%左右)
，動態範圍較小(這個需要注意，因為超過探頭動態範圍的信號，不能正確測試。一般動態範圍5V左右)，比較脆弱，使用需小心。

 

圖11 有源探頭結構

 

差分探頭結構圖如下，使用差分放大器實現阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高(一般達50Kohm以上)，而輸入電容較小(一般小於1pf)
，通過差分探頭放大器後連接到示波器
，示波器必須使用50ohm 輸入阻抗。差分探頭帶寬非常寬(現在可達30GHz)，負載非常小
，具有較高共模抑製比，但是價格相對較高(一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10%左右)，動態範圍也較小(這個需要注意
，因為超過探頭動態範圍的信號，不能正確測試。一般動態範圍3V左右)，比較脆弱，使用需小心。

 

差分探頭適合測試高速差分信號(測試時不用接地)，適合放大器測試，電源測試，適合虛地測試等應用。

 

 

圖12 差分探頭結構

 

電dian流liu探tan頭tou也ye是shi有you源yuan探tan頭tou，利li用yong霍huo爾er傳chuan感gan器qi和he感gan應ying線xian圈quan實shi現xian直zhi流liu和he交jiao流liu電dian流liu的de測ce量liang。電dian流liu探tan頭tou把ba電dian流liu信xin號hao轉zhuan換huan成cheng電dian壓ya信xin號hao，示shi波bo器qi采cai集ji電dian壓ya信xin號hao，再zai顯xian示shi成cheng電dian流liu信xin號hao。電dian流liu探tan頭tou可ke以yi測ce試shi幾ji十shi毫hao安an到dao幾ji百bai安an培pei的de電dian流liu，使shi用yong時shi需xu要yao引yin出chu電dian流liu線xian(電流探頭是把導線夾在中間進行測試的，不會影響被測電路)。

 

電流探頭在測試直流和低頻交流時的工作原理：

 

當dang電dian流liu鉗qian閉bi合he
，把ba一yi通tong有you電dian流liu的de導dao體ti圍wei在zai中zhong心xin時shi，響xiang應ying地di會hui出chu現xian一yi個ge磁ci場chang。這zhe些xie磁ci場chang使shi霍huo爾er傳chuan感gan器qi內nei的de電dian子zi發fa生sheng偏pian轉zhuan，在zai霍huo爾er傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu產chan生sheng一yi個ge電dian動dong勢shi。電dian流liu探tan頭tou根gen據ju這zhe個ge電dian動dong勢shi產chan生sheng一yi個ge反fan向xiang(補償)電dian流liu送song至zhi電dian流liu探tan頭tou的de線xian圈quan
，使shi電dian流liu鉗qian中zhong的de磁ci場chang為wei零ling
，以yi防fang止zhi飽bao和he。電dian流liu探tan頭tou根gen據ju反fan向xiang電dian流liu測ce得de實shi際ji的de電dian流liu值zhi。用yong這zhe個ge方fang法fa，能neng夠gou非fei常chang線xian性xing的de測ce量liang大da電dian流liu，包bao括kuo交jiao直zhi流liu混hun合he的de電dian流liu。

 

圖13 電流探頭測試直流和低頻時的工作原理

 

電流探頭在測試高頻時的工作原理：

 

suizhebeicedianliupinlvdezengjia，huoerxiaoyingzhujianjianruo，dangceliangyigebuhanzhiliuchengfendegaopinjiaoliudianliushi，dabufenshitongguocichangdeqiangruozhijieganyingdaodianliutantoudexianquan。cishi
，tantoujiuxiangyigedianliubianyaqi，dianliutantouzhijieceliangdeshiganyingdianliu，erbushibuchangdianliu，gongfangdeshuchuweixianquantigongyigedizukangdejiedihuilu。

 

圖14 電流探頭測試高頻時的工作原理

 

電流探頭在交叉區域時的工作原理：

 

當電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區域時
，部分測量是通過霍爾傳感器實現的，另一部分是通過線圈實現的。

 

圖15 電流探頭交叉區域的工作原理

 

四、有源探頭附件

 

現代的高帶寬有源探頭都采用分離式的設計方法，即：探頭放大器與探頭附件部分分開。這樣設計的好處是：

 

1、支持更多的探頭附件
，使得探測更加的靈活;

2
、保護投資
，最貴的是探頭放大器(一個探頭放大器可以支持多種探測方式
，以前需要幾個探頭來實現);同時探頭附件保護探頭放大器(探頭附件即使損壞
，價格也相對便宜);

3、這種設計方式容易實現高帶寬。

 

圖16 探頭附件

 

這些探頭附件，主要包括以下幾種：

 

1、點測探頭附件(包括：單端點測和差分點測);

2
、焊接探頭附件(包括：單端焊接和差分焊接，分離式的ZIF焊接);

3、插孔探頭附件;

4、差分SMA探頭附件(示波器一般直接支持SMA連接
，但是如果被測信號需要上拉如HDMI，則必須使用SMA探頭附件)。

 

探頭附件的電路結構如下圖所示：

 

1、在探頭附件尖端部分會有一對阻尼電阻(一般82ohm)，這對阻尼電阻的作用是消除探頭附件尖端部分的電感的諧振影響;

2、探頭尖端部分的後麵是25Kohm的電阻，這個電阻決定了探頭的輸入阻抗(直流輸入阻抗即電阻：單端25Kohm，差分50Kohm)，這個電阻使得被測信號傳輸到探頭放大器部分的功率是非常小的
，不至於對被測信號有較大影響。

3、25Kohmdedianzuhoumianshitongzhouchuanshuxianbufen
，zhegechuanshuxianfuzebaxiaoxinhaochuanshudaofangdaqi。zhegechuanshuxiandechangdukeyihenchang
，yekeyihenduan
，zhongjiankeyijiashuaijianqi，yekeyijiaouhedianrong。

4、同軸傳輸線連接到放大器

，放大器是50ohm匹配的(差分100ohm匹配)。

 

圖17 有源探頭附件的結構

 

有(you)源(yuan)探(tan)頭(tou)為(wei)了(le)保(bao)持(chi)探(tan)頭(tou)的(de)精(jing)確(que)度(du)，需(xu)要(yao)工(gong)作(zuo)在(zai)恒(heng)溫(wen)狀(zhuang)態(tai)，所(suo)以(yi)探(tan)頭(tou)放(fang)大(da)器(qi)不(bu)能(neng)放(fang)置(zhi)到(dao)高(gao)低(di)溫(wen)箱(xiang)裏(li)進(jin)行(xing)高(gao)低(di)溫(wen)環(huan)境(jing)下(xia)被(bei)測(ce)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)測(ce)試(shi)。從(cong)探(tan)頭(tou)附(fu)件(jian)結(jie)構(gou)中(zhong)可(ke)見(jian)中(zhong)間(jian)的(de)50ohm傳chuan輸shu線xian的de長chang短duan不bu影ying響xiang探tan測ce
，所suo以yi可ke以yi用yong很hen長chang的de同tong軸zhou電dian纜lan或huo擴kuo展zhan同tong軸zhou電dian纜lan，讓rang這zhe個ge同tong軸zhou電dian纜lan伸shen進jin高gao低di溫wen箱xiang裏li進jin行xing高gao低di溫wen換huan進jin下xia被bei測ce電dian路lu板ban的de測ce試shi。如ru下xia圖tu是shiN5450A擴展電纜，使用N5381A焊接探頭附件，可以工作在-55°到150°溫度範圍。

 

圖18 高低溫探頭結構原理

 

使用N5450A擴展電纜和N5381A探頭附件，使用1169A 12GHz探頭放大器，在-55°和150°環境下的頻響曲線如下圖所示

，可見能夠滿足高速信號測試的要求。

 

圖19 高低溫探頭在高低溫下的頻響

 

五、探頭及附件準確度驗證

 

下圖是一個例子：被測信號是一個頻率456MHz，邊沿時間約65ps的時鍾信號
，分別使用不同類型的探頭和探頭附件的測試結果。

 

A圖是使用12GHz的1169A差分探頭和N5381A 12GHz焊接探頭附件的測試結果，幾乎完全複現被測信號;

 

B圖是使用500MHz的無源探頭的測試結果，顯示的信號完全失真;

 

C圖是使用12GHz的1169A差分探頭和較長的測試引線的測試結果，顯示的信號出現很大的過衝;

 

D圖是使用4GHz的1158A單端探頭和較長的測試引線的測試結果，顯示的信號幾乎是正弦波，失真較大。

 

圖20 不同探頭附件測試結果對比

 

congtuzhongkejiantantouhetantoufujianduiceshijingquedudeyingxiangshifeichangdade，shiwomenceshigaosuxinhaoyinggaizhongdianzhuyideneirongzhiyi。nawomenyinggairuheyanzhengtantouhetantoufujianne?

 

驗證探頭和探頭附件需要使用一台脈衝碼型發生器(如:81134A，3.35GHz速率，60ps邊沿的脈衝碼型發生器)，如果示波器自帶高速信號輸出功能，也可以使用示波器的這個輔助輸出口代替脈衝碼型發生器(如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以發一個高速時鍾：456MHz頻率
，約65ps邊沿)。另外，需要同軸電纜和測試夾具(Infiniium示波器配置的探頭校準夾具可以作為探頭和探頭附件驗證測試夾具)。測試夾具的外表是地(Ground)
，裏麵走線是信號(Signal)，如下圖所示。使用時，通過同軸電纜把一端接到脈衝碼型發生器或示波器的輔助輸出AUX OUT端口，另外一端通過適配器連接到示波器的通道1上。

 

圖21 探頭驗證夾具

 

然後把被驗證的探頭連接到通道2上，探頭通過探頭附件可以接觸到測試夾具的信號和地(如果是差分探頭，那麼把+端連接到測試夾具的信號線，把-端連接到測試夾具的地上)。

 

1、如果探頭不接觸信號線
，則屏幕上會出現一個原始波形

，存為參考波形;

2、當用探頭探測信號線時，通道1的波形會發生變化，這個變化後的波形就是被探頭和探頭附件影響後的被測信號;

3、這時
，連接探頭的通道2會出現一個波形，這個波形是探頭測試到的波形;

4
、通過對比參考波形，通道1的波形，和連接探頭的通道2的波形，就可以直觀的看出或通過測試參數讀出三者的差別，可以驗證探頭和探頭附件的影響。

 

圖22 探頭驗證連接和原理

 

下圖是實際驗證的一個例子，圖A把示波器的AUX OUT通過同軸電纜連接到測試夾具，測試夾具的另一端通過SMA-PBNC適配器連接到示波器的一個通道上(此例連接到通道3)，把探頭連接到通道1上，此時調整屏幕上的波形
，使得出現一個邊沿階躍波形
，如圖C所示，並把此波形存為參考波形。如圖B把被驗證探頭和附件點測到測試夾具上
，如圖D所示
，屏幕上出現3個ge波bo形xing
，蘭lan色se的de是shi參can考kao波bo形xing，綠lv色se的de是shi受shou探tan頭tou影ying響xiang後hou的de被bei測ce波bo形xing
，黃huang色se的de是shi探tan頭tou顯xian示shi的de波bo形xing

，通tong過guo測ce試shi上shang升sheng時shi間jian參can數shu，過guo衝chong參can數shu等deng，可ke確que認ren探tan頭tou和he探tan頭tou附fu件jian的de性xing能neng。

 

圖23 探頭驗證實例

 

 

推薦閱讀：