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容節選。

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，后續內容將持續在本公眾號發布。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，忠實復現波形。

低負荷

·不會對測量對象產生影響。

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

規格

選擇電壓探頭時需要確認的4種規格：

·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：對測量對象產生的直流電負載

·輸入電容：對測量對象產生的交流(高頻)電負載

參考如上規格選擇最合適的探頭。

輸入電阻過低會產生直流負載，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的電阻比調成相同的數值。

C1：C2'=R2:R1→R1C1=R2C2'

通過適當調整Cv，可以在DC到高頻中獲得正確的振幅。反之，未做適當調整時，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，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 - 首先需要正確調整！

連接示波器與探頭，調整探頭上的可變電容器，使不同頻率下的增益穩定。相位調整不正確時，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整，但如果調整不當，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10MHz以上的等效電路示意圖)

這里展示的探頭系統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，即使生產商相同，機器規格不同也會有所不同，因此探頭會根據機型進行細致的調諧。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，把衰減維持在一定水平上。

頻率越高阻抗越小，此時顯現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，探頭終端會發生全反射，會發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）