淺談示波器測量中探頭的選擇和使用

目前，數(shù)字家電技術(shù)的高速發(fā)展使與此對應(yīng)的電子回路速度日益加快，對觀測波形信號(hào)的示波器和探頭的要求也越來越高，因此示波器的采樣速率和探頭模擬帶寬也得到了飛速發(fā)展。但是，不少示波器在實(shí)際測量過程中卻出現(xiàn)了波形再現(xiàn)性不理想或無法正確觀測波形等現(xiàn)象。問題究竟在哪里？原因在于隨著被測信號(hào)頻率的加快，探頭的重要性也更加突出，如果探頭性能不佳，就可能導(dǎo)致無法正確完成測量，本文將重點(diǎn)介紹幾點(diǎn)測量高速信號(hào)時(shí)需要注意的探頭選擇和使用問題。

一、電壓探頭的主要種類

探頭是電壓傳感器的一種，用戶應(yīng)根據(jù)被測對象電壓值、輸出阻抗、電壓頻率選擇相適合的電壓探頭。目前示波器所使用的探頭種類非常多，探頭不同，其輸入阻抗（電阻值、電容值）或模擬帶寬也有很大差別，在準(zhǔn)備測量之前，用戶需要充分了解探頭種類和各種探頭之間的差別。一般在高頻測量中被經(jīng)常使用的探頭大致分為以下三種:   

二、高頻測量時(shí)需要注意的問題

負(fù)荷效應(yīng)

當(dāng)探頭與被測量回路相連接，探頭的輸入阻抗將對被測系統(tǒng)產(chǎn)生影響。這種現(xiàn)象稱為負(fù)荷效應(yīng)。例如：在測量反饋回路時(shí)，探
頭阻抗會(huì)改變回路內(nèi)電壓相位，結(jié)果使回路動(dòng)作發(fā)生變化，在震動(dòng)回路中可能改變震動(dòng)頻率，更為嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)震動(dòng)停止等情況。因此測量時(shí)要考慮到探頭可能產(chǎn)生的負(fù)荷效應(yīng)，特別是在測量靜電容量等敏感電路時(shí)，更需要注意探頭種類的選擇。

探頭電容**測量帶寬

在測量100MHz以上高頻波形成分時(shí)，信號(hào)源阻抗和探頭電容容量形成低通濾波器，對測量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。以50Ω回路為例（圖1），在終端測量信號(hào)波形時(shí)，信號(hào)源的等效阻抗為25Ω（50Ω并聯(lián)），這里因?yàn)榛芈穬?nèi)追加了探頭電容，形成的低通濾波器截止頻率為 fc＝1/2πRC。如果使用14pF的無源探頭截止頻率則為 fc＝455MHz，輸入容量為0.9pF的截止頻率則為 fc＝7GHz。
                     

測量高輸出阻抗回路時(shí)，負(fù)荷效應(yīng)會(huì)更加明顯，所以推薦使用輸入電容較小的有源探頭/FET探頭。

因電感而產(chǎn)生共振

在使用探頭觀測波形信號(hào)時(shí)必然用到同軸電纜，因?yàn)樘筋^是通過同軸電纜傳輸被測信號(hào)電纜必然存在電感，電感存在就會(huì)與探頭輸入電容產(chǎn)生共振。如果共振頻率在示波器模擬帶寬以外不會(huì)對波形觀測產(chǎn)生影響；但如果阻抗或電容較大，發(fā)生共振時(shí)，示波器可能觀測到被測信號(hào)本來沒有的紋波或震鈴。

1～2cm長度電纜的電感值約為10nH，上文介紹三種探頭的共振頻率如表1顯示。
         

此外，除了探頭輸入端中存在的電感，還需要注意探頭地線中電感所產(chǎn)生的影響。

那么，使用探頭測量時(shí)，如何抑制共振的產(chǎn)生呢？

首先在使用示波器確認(rèn)輸入信號(hào)時(shí)，建議所使用探頭輸入端和地端盡量短。如果對被測信號(hào)再現(xiàn)性有更高的要求，則需要將探頭輸入端與被測端直接相連，使用較粗的銅線與探頭地端相連以盡量減小地線電感的影響，如果探頭輸入端無論如何無法直接連接到被測端時(shí)，則在探頭輸入前端附加50～100Ω的電阻，以防止共振產(chǎn)生。在該情況下，因附加電阻，測量系統(tǒng)模擬帶寬將被降低，以抑制因共振而產(chǎn)生的震鈴，使被測波形接近原始波形。

電纜特性

一般在測量時(shí)，通過同軸電纜將被測信號(hào)傳輸?shù)?strong>示波器，電纜因具有柔軟性和高頻特性目前被廣泛選用。但是，在實(shí)際使用過程中，即使電纜存在很小的彎曲，該彎曲部分導(dǎo)電體也會(huì)被損壞，使其電感值發(fā)生變化，影響電纜的傳導(dǎo)特性/反射特性，以至于不能正確觀測波形的高頻成分，這是影響高頻波形觀測的一個(gè)因素，所以在使用同軸電纜觀測時(shí)，盡量使電纜不要彎曲，才可以最大限度再現(xiàn)被測波形。

觀測高頻信號(hào)時(shí)，需要選擇合適的探頭，更需要掌握正確使用探頭的方法。希望本文能夠?yàn)樽x者在高頻測量時(shí)提供幫助。