本文來源：橫河測試測量 公眾號  作者：YOKOGAWA 陸雷

引 言

本文為橫河培訓中心關于示波器基礎培訓的內(nèi)容節(jié)選。

示波器探頭選擇的基礎篇，目錄如下：

?       探頭種類

?       電壓探頭規(guī)格

?       示波器用電壓探頭

?       無源探頭

?       有源探頭

?       電流測量

因篇幅所限，本期放送到無源探頭篇，后續(xù)內(nèi)容將持續(xù)在本公眾號發(fā)布。如果對更詳細的講解感興趣，請關注我們的直播課信息。

工程師朋友們是否注意到這種現(xiàn)象？

使用不同的探頭組合測量同一個對象，觀測到的波形會發(fā)生變化。

而同樣的探頭，使用不同的方法測量，波形(測量范圍)也會不同。

試試看，用DLM4000 觀測200MHz的LVDS信號的結果會怎樣？

上圖左側與中間為使用無源探頭但地線接地方式不同后產(chǎn)生的測量結果。

右側為使用了有源探頭測量出來的結果。

這種情況，如何辨別哪個波形測量結果是正確的呢。

通常我們使用示波器測量波形，不會用多個方法反復測量同一種波形。但是通過不同測試方法的對比，可以顯而易見地察覺到這些方法測量結果的差異。顯然有源探頭的測量結果更精確。由此希望大家能夠注意到，無源探頭與有源探頭性能上的差異，導致其探測到的波形也會有所不同。但是即便使用同樣的探頭，用法不同，波形也會有所不同（見左側1和2）。所以，選對探頭，選對方法，才能準確復現(xiàn)原波形。

下面，我們來看看為什么探頭使用方法不同觀測到的波形會發(fā)生不同？

這是探頭的基本構造和原理決定的。

探頭的作用

探頭是用來從被測量對象身上拾取信號傳送到示波器的工具，主要由探頭頭部、電纜、校正盒組成。探頭被用來連接被測量電路與示波器，為了實現(xiàn)精確測量，對探頭的要求非常之高。

判斷探頭是否適用，有如下3個基準：

·物理接觸

·對電路的影響程度

·傳輸信號的失真程度

能夠滿足測量要求，精確復現(xiàn)波形的，就是理想中的探頭——

忠實性

·可以不失真地傳送波形，忠實復現(xiàn)波形。

低負荷

·不會對測量對象產(chǎn)生影響。

安全性

·可以安全地拾取信號，傳送信號。

抗噪聲

·在傳送信號時不混雜噪聲

但是，“理想”的探頭，在現(xiàn)實中并不是真實存在，我們能做的就是無限接近“理想”。探頭或多或少都會對測量對象產(chǎn)生影響，因而也會影響到測量結果。探頭影響測量結果是不能絕對避免的，所以在此基礎上正確理解測量結果顯得尤為重要。

探頭種類

不同的探頭適用于不同的環(huán)境。選擇最合適的探頭是測量的第一步。

首先需要了解需要測量的信號。

電信號基本就是測量電壓或電流，頻率高或低、振幅多少、測量對象的輸出電阻高或低、差分是否需要通過絕緣來測量等。

理解了測量對象，就可以從種類豐富的探頭中做出選擇。

市場上有對應測量高電壓、高速信號或用于多種場景的豐富的探頭類型。

對于電流探頭，因其可以進行非接觸式測量，所以不會對測量對象產(chǎn)生過大的影響。

我們著重看看電壓探頭如何選擇——

電壓探頭

規(guī)格

選擇電壓探頭時需要確認的4種規(guī)格：

·頻率范圍：由可測量的頻率決定

·輸入電壓范圍：可觀測信號的最大電壓＋富余量(電涌等)

·輸入電阻：對測量對象產(chǎn)生的直流電負載

·輸入電容：對測量對象產(chǎn)生的交流(高頻)電負載

參考如上規(guī)格選擇最合適的探頭。

輸入電阻過低會產(chǎn)生直流負載，會影響到電路的偏壓。

輸入電容過大會影響高速信號的上升等。

主要用途

以無源與有源探頭為例，我們簡要說明差分探頭的結構和注意事項。

無源探頭

在示波器用探頭里，最為常用的便是無源探頭。無源探頭堅固耐用，加之可以擴展測量電壓的范圍，所以用途非常廣泛。

等效電路可按照R1、C2、R2、C2'(=Ccable+Cv+C2)表示。

除了Cv，其他均為定值。

在DC里，C的電阻無限大，因此此電路的衰減比由R2/(R1+R2)決定。

為了在高頻里獲得同樣的衰減比，需要將C1與C2’的電阻比與R2、R1的電阻比調(diào)成相同的數(shù)值。

C1：C2'=R2:R1→R1C1=R2C2'

通過適當調(diào)整Cv，可以在DC到高頻中獲得正確的振幅。反之，未做適當調(diào)整時，隨著頻率的變動，振幅會時小時大，無法獲得正確的振幅。

無源探頭的作用便是分壓電壓，使其衰減至示波器的輸入范圍之內(nèi)，以及增加輸入阻抗，降低輸入電容。

可不使用高阻抗時，R1在450Ω時可被稱為無C1的電阻探頭。

使用10:1無源探頭 - 首先需要正確調(diào)整！

連接示波器與探頭，調(diào)整探頭上的可變電容器，使不同頻率下的增益穩(wěn)定。相位調(diào)整不正確時，振幅看起來會過小或者過大，從而導致錯誤結果。

下圖是利用示波器的CAL輸出(1KHz方波)進行調(diào)整的示例。

如果校正不正確，就會在錯誤的波形振幅下進行觀測。

如果你測試的信號振幅比預想的大，就嘗試用2根探頭觀測同樣的信號，2根探頭觀測到的信號振幅不同，那么你就需要校正探頭。

探頭校正，可使用方波來進行調(diào)整，但如果調(diào)整不當，測量方波時其影響會非常明顯。

可是這種影響，在測量更高方波頻率的波形時，卻不容易被人識別。正弦波亦是如此。

如上圖所示，校正不當時，輸入小于1kHz的信號后其結果便顯而易見。頻率更快的信號和正弦波的觀測結果如圖所示，沒有明顯異常，但實際上振幅受到了影響，無法精確測量。

10:1無源探頭的構成(數(shù)10MHz以上的等效電路示意圖)

這里展示的探頭系統(tǒng)為利用了示波器輸入電阻的分壓電路。高頻下的示波器輸入電阻，即使生產(chǎn)商相同，機器規(guī)格不同也會有所不同，因此探頭會根據(jù)機型進行細致的調(diào)諧。也就是說，即便是同一個探頭，如果連接的示波器機型(輸入電阻)發(fā)生變化，1/10的分壓也會失衡，無法獲得正確的波形。

注意，在10MHz以上的頻率時，使用非指定的探頭無法保證其獲得正確的頻率特征。實際上根本不能使用！

上面的探頭等效電路是低頻而阻抗較大的情況。隨著頻率升高，阻抗也同時減少。在阻抗減少的過程中通過匹配RC的時間常數(shù)，把衰減維持在一定水平上。

頻率越高阻抗越小，此時顯現(xiàn)電感元件造成的影響，在共同的影響作用下阻抗增大，隨頻率發(fā)生變化。不管是窄頻還是寬頻，示波器因阻抗之間分壓的存在，采用了可盡量能控制阻抗變動的設計。

有電線就必有電阻、電感、電容，但是線材性能與部件的電容占主導地位，因此此處略過。

同軸電纜在高頻下可視作傳輸線。示波器的輸入端為高阻抗端，因此可被視作開路，探頭終端會發(fā)生全反射，會發(fā)生波長相當于電纜長度1/4的諧振。

C=300000000m/s f=v/λ v=c/ √電容率 電容率=2.2

電纜長1.5m時，以33.3Mhz進行諧振。

電纜長1m時，以50MHz進行諧振。

（未完待續(xù)）