示波器探頭分類(lèi)有哪些？該怎么選？

示波器因?yàn)橛刑筋^的存在而擴(kuò)展了示波器的應(yīng)用范圍，使得示波器可以在線測(cè)試和分析被測(cè)電子電路，如圖1所示。

圖1 示波器探頭的作用

探頭的選擇和使用需要考慮兩方面：

• 因?yàn)樘筋^有負(fù)載效應(yīng)，探頭會(huì)直接影響被測(cè)信號(hào)和被測(cè)電路。
• 探頭是整個(gè)示波器測(cè)量系統(tǒng)的一部分，會(huì)直接影響儀器的信號(hào)保真度和測(cè)試結(jié)果。

探頭的負(fù)載效應(yīng)

當(dāng)探頭探測(cè)到被測(cè)電路后，探頭成為了被測(cè)電路的一部分。

探頭的負(fù)載效應(yīng)可分為三類(lèi)：

• 阻性負(fù)載效應(yīng)。
• 容性負(fù)載效應(yīng)。
• 感性負(fù)載效應(yīng)。

圖2 探頭的負(fù)載效應(yīng)

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阻性負(fù)載

阻性負(fù)載相當(dāng)于在被測(cè)電路上并聯(lián)了一個(gè)電阻，對(duì)被測(cè)信號(hào)有分壓的作用，影響被測(cè)信號(hào)的幅度和直流偏置。有時(shí)，加上探頭時(shí)，有故障的電路可能變得正常了。一般推薦探頭的電阻R>10倍被測(cè)源電阻，以維持小于10%的幅度誤差。

圖3 探頭的阻性負(fù)載

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容性負(fù)載

容性負(fù)載相當(dāng)于在被測(cè)電路上并聯(lián)了一個(gè)電容，對(duì)被測(cè)信號(hào)有濾波的作用，影響被測(cè)信號(hào)的上升下降時(shí)間，影響傳輸延遲，影響傳輸互連通道的帶寬。有時(shí)，加上探頭時(shí)，有故障的電路變得正常了，這個(gè)電容效應(yīng)起到了關(guān)鍵的作用。一般推薦使用電容負(fù)載盡量小的探頭，以減小對(duì)被測(cè)信號(hào)邊沿的影響。

圖4 探頭的容性負(fù)載

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感性負(fù)載

感性負(fù)載來(lái)源于探頭地線的電感效應(yīng)，這地線電感會(huì)與容性負(fù)載和阻性負(fù)載形成諧振，從而使顯示的信號(hào)上出現(xiàn)振鈴。如果顯示的信號(hào)上出現(xiàn)明顯的振鈴，需要檢查確認(rèn)是被測(cè)信號(hào)的真實(shí)特征還是由于接地線引起的振鈴，檢查確認(rèn)的方法是使用盡量短的接地線。一般推薦使用盡量短的地線。

地線電感=1nH/mm

圖5 探頭的感性負(fù)載

探頭的分類(lèi)

示波器探頭大的方面可以分為：無(wú)源探頭和有源探頭兩大類(lèi)。

無(wú)源探頭

無(wú)源探頭細(xì)分： 低阻電阻分壓探頭、 帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o(wú)源探頭(最常用的無(wú)源探頭)、 高壓探頭。

低阻電阻分壓探頭：

低阻電阻分壓探頭具備較低的電容負(fù)載(<1pf)，較高的帶寬(>1.5GHz)，較低的價(jià)格，但是電阻負(fù)載非常大，一般只有500ohm或1Kohm，所以只適合測(cè)試低源阻抗的電路，或只關(guān)注時(shí)間參數(shù)測(cè)試的電路。

圖6 低輸入電阻探頭結(jié)構(gòu)

帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o(wú)源探頭：

帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o(wú)源探頭是最常用的無(wú)源探頭，一般示波器標(biāo)配的探頭都是此類(lèi)探頭。帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o(wú)源探頭具備較高的輸入電阻(一般1Mohm以上)，可調(diào)的補(bǔ)償電容，以匹配示波器的輸入，具備較高的動(dòng)態(tài)范圍，可以測(cè)試較大幅度的信號(hào)(幾十幅以上)，價(jià)格也較低。但是不知之處是輸入電容過(guò)大(一般10pf以上)，帶寬較低(一般500MHz以內(nèi))。

圖7 常用的無(wú)源探頭結(jié)構(gòu)

帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o(wú)源探頭有一個(gè)補(bǔ)償電容，當(dāng)接上示波器時(shí)，一般需要調(diào)整電容值（需要使用探頭自帶的小螺絲刀來(lái)調(diào)整，調(diào)整時(shí)把探頭連接到示波器補(bǔ)償輸出測(cè)試位置），以與示波器輸入電容匹配，以消除低頻或高頻增益。圖8的左邊是存在高頻或低頻增益，調(diào)整后的補(bǔ)償信號(hào)顯示波形如圖8的右邊所示。

圖8 無(wú)源探頭的補(bǔ)償

高壓探頭：

高壓探頭是帶補(bǔ)償?shù)臒o(wú)源探頭的基礎(chǔ)上，增大輸入電阻，使得衰減加大(如，100:1或1000:1等)。因?yàn)樾枰褂媚透邏旱脑骷?，所以高壓探頭一般物理尺寸較大。

圖9 高壓探頭的結(jié)構(gòu)

有源探頭

有源探頭細(xì)分： 單端有源探頭、 差分探頭、 電流探頭。

先來(lái)觀察一下用600MHz無(wú)源探頭和1.5GHz有源探頭，測(cè)試1ns上升時(shí)間階躍信號(hào)的影響。使用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)1ns的階躍信號(hào)，通過(guò)測(cè)試夾具后，使用SMA電纜直接連接到一個(gè)1.5GHz帶寬的示波器上，這樣示波器上會(huì)顯示一個(gè)波形(圖10中的藍(lán)色信號(hào))，把這個(gè)波形存為參考波形。然后使用探頭點(diǎn)測(cè)測(cè)試夾具去探測(cè)被測(cè)信號(hào)，通過(guò)SMA直連的波形因?yàn)槭芴筋^負(fù)載的影響而變成黃色的波形，探頭通道顯示的是綠色的波形。然后分別測(cè)試上升時(shí)間，可以看出無(wú)源探頭和有源探頭對(duì)高速信號(hào)的影響。

圖10 無(wú)源探頭和有源探頭對(duì)被測(cè)信號(hào)和測(cè)量結(jié)果的影響

具體測(cè)試結(jié)果如下：

• 使用1165A 600MHz無(wú)源探頭，使用鱷魚(yú)嘴接地線。受探頭負(fù)載的影響，上升時(shí)間變?yōu)椋?.9ns；探頭通道顯示的波形存在振鈴，上升時(shí)間為：1.85ns。
• 使用1156A 1.5GHz有源探頭，使用5cm接地線。受探頭負(fù)載的影響較小，上升時(shí)間仍為：1ns；探頭通道顯示的波形與原始信號(hào)一致，上升時(shí)間仍為：1ns。

單端有源探頭：

單端有源探頭結(jié)構(gòu)如圖11所示，使用放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高(一般達(dá)100Kohm以上)，而輸入電容較小(一般小于1pf)，通過(guò)探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm輸入阻抗。有源探頭帶寬寬(現(xiàn)在可達(dá)30GHz)，而負(fù)載小，但是價(jià)格相對(duì)較高(一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價(jià)格的10%左右)，動(dòng)態(tài)范圍較小，比較脆弱，使用需小心。需要注意，因?yàn)槌^(guò)探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，不能正確測(cè)試，一般動(dòng)態(tài)范圍5V左右。

圖11 單端有源探頭結(jié)構(gòu)

差分探頭 ：

差分探頭結(jié)構(gòu)如圖12所示，使用差分放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高（一般達(dá)50Kohm以上），而輸入電容較小（一般小于1pf)，通過(guò)差分探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm 輸入阻抗。差分探頭帶寬非常寬（現(xiàn)在可達(dá)30GHz），負(fù)載非常小，具有較高共模抑制比，但是價(jià)格相對(duì)較高（一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價(jià)格的10%左右)，動(dòng)態(tài)范圍也較小（這個(gè)需要注意，因?yàn)槌^(guò)探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，不能正確測(cè)試。一般動(dòng)態(tài)范圍3V左右），比較脆弱，使用需小心。

差分探頭適合測(cè)試高速差分信號(hào)（測(cè)試時(shí)不用接地），適合放大器測(cè)試，電源測(cè)試，適合虛地測(cè)試等應(yīng)用。

圖12 差分探頭結(jié)構(gòu)

電流探頭 ：

電流探頭也是有源探頭，利用霍爾傳感器和感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)直流和交流電流的測(cè)量。電流探頭把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，示波器采集電壓信號(hào)，再顯示成電流信號(hào)。電流探頭可以測(cè)試幾十毫安到幾百安培的電流，使用時(shí)需要引出電流線（電流探頭是把導(dǎo)線夾在中間進(jìn)行測(cè)試的，不會(huì)影響被測(cè)電路）。

無(wú)源探頭與有源探頭對(duì)比

最常用的高阻無(wú)源探頭和有源探頭簡(jiǎn)單對(duì)比如下：

表1 有源探頭和無(wú)源探頭對(duì)比

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