在选择和使用示波器探头中最容易忽略的几点问题

　　在选择和使用示波器探头中最容易忽略的几点问题：

　　第 1 个错误：不了解示波器探头的关键技术指标

　　第 2 个错误：选择的探头带宽不合适

　　第 3 个错误：没有考虑探头负载效应

　　第 4 个错误：不确定应该选择有源探头还是无源探头

　　第 5 个错误：忘了考虑连接带宽和负载效应

　　第 6 个错误：低估了衰减比

　　第 1 个错误，不了解关键技术指标：

　　如果您不知道应该关注示波器探头的哪些关键技术指标，那么就不可能确定自己的需求。技术资料通常包含大量数字列表。哪些才是您需要关注的?

　　人们最熟悉的技术指标就是带宽。探头的带宽范围从直流一直到大约 30 GHz。对带宽的一个常见误解是以为带宽越大，可以看到的数据就越多。但事实并非总是如此。随着带宽的增加，许多关键技术指标都会发生变化，它们也是需要考虑的重要因素。

　　图 1. 不断提高的带宽如何影响其他关键技术指标。

　　噪声在各个频率之间均匀分布。这意味着探头带宽越高，引入的频率越多，进入信号的噪声也越多。为了防止发生这种情况，您应该根据下一节中介绍的计算方法，只使用需要的带宽。而且，还需要借助更专业化的探头来测量更高频率。当然，这需要加大开发力度，才能为敏感元件创造出如此专业化但成本较高的产品。使用带宽超过需求的探头可能会带来额外的成本、工作量和噪声，这些要素可能会大大地影响您的测量结果。

　　各类探头都有优点和缺点，对于您所进行的特定测试，您需要选择更合适的探头。充分理解关键技术指标，理解其对您的意义，将使探头选型变得更加容易。我们认为，与其查看技术资料中那些冗长的技术指标列表，不如研究文档其余部分更重要。

　　第 2 个错误：选择的探头带宽不合适

　　如果使用的探头带宽不正确，那么您可能会遗失信号细节，或者为系统引入不必要的噪声。为了加深理解，我们先来讨论带宽的意义。探头带宽本质上就是 3 dB 点。3 dB 点是指探头输出相对于标称响应减少 3 dB 时的频率。

　　图 2. 3 dB 点的显示结果。

　　假设用 1:1 探头测量 1 Vpp 的低频正弦波。由于您使用的是 1:1 探头，因此进入示波器的探头输出将等于设备输入探头的实际信号。但是，如果继续增加此 1 Vpp 信号的频率，那么最终您将到达一个点，在该点上探头输出远远小于输入探头的实际信号。当您看到示波器屏幕上的输出相对于 1 Vpp 输入降为 0.7 Vpp 时，那么就表示您到达了 3 dB 点，因为相对于其标称响应，输出减少了 3 dB。

　　图 3. 随着频率增加出现 3 dB 点的示例。

　　现在您已经了解了 3 dB 点理论，您可以利用它来改善测试。选择适合探头的第一步是了解信号的带宽。要确定信号带宽(BW)，可以使用以下简单公式：如果我们测量的是 10% 和 90% 的阈值，则信号带宽等于上升时间除以 0.35。如果测量的是 20% 和 80% 的阈值，则信号带宽等于上升时间除以 0.22。

　　计算完信号带宽后，可根据以下两个经验选择探头带宽：

　　– 探头带宽应该比模拟应用中最快的正弦波频率高 3 倍

　　– 探头带宽应该比数字应用的最高数字时钟速率快 5 倍

　　根据这些快速计算方法，您可以大致确定何种探头带宽适合您的应用。随着上升时间加快，信号带宽随之增加，这意味着您需要带宽更高的探头。但请记住，带宽过高也会带来麻烦。

　　另一种考虑带宽的方法是以谐波为基础。一般而言，探头带宽越高，捕捉到的谐波越多，二者都会使信号精度稍有提高。如下面图 5 所示，原始信号为黄色迹线，一阶谐波为绿色迹线。您可以看到，它们具有相同的周期和占空比，但一阶谐波的上升沿明显较慢，并且拐角非常圆滑。蓝色迹线显示一阶和三阶谐波，其上升沿较快，角点变得更清晰。但在图像的底部，我们可以看到一阶、三阶和五阶谐波。其边沿平缓，拐角锐利，信号顶部和底部有很多细节。带宽越高，波形将显露出越多的细节。

　　图 5. 更高的带宽意味着更多谐波及更丰富的信号细节。

　　了解了上面的规律，我们来看一个用 100 MHz 探头测量 100 MHz 时钟的例子。完成这个测量后，您最终将会在屏幕上看到如图 6 所示的正弦波。因此，您无法得到准确的上升时间或任何真正的信号细节。这意味着您所做的任何测量都是不准确的，毫无意义。

　　图 6. 使用 100 MHz 探头测量 100 MHz 时钟信号。

　　但是，如果使用 500 MHz 探头测量相同的 100 MHz 信号，您就会有足够的带宽来捕获更多的谐波，从而得到更精确的信号表示。

　　图 7. 使用 500 MHz 探头测量 100 MHz 时钟信号。

　　由此可见，为您要处理的信号选择合适的探头带宽是多么重要。但带宽过高也不好，过犹不及。在确定多大带宽适合您的应用并选择正确的探头时，这些理论和快速计算方法可以帮助您不犯错误。

　　第 3 个错误：没有考虑到探头负载效应

　　探头一旦与示波器连接并与器件接触，它就成为电路的一部分。问题是，探头带给器件的电阻、电容和电感负载效应将影响您在屏幕上看到的信号。这种负载效应是您需要考虑的重要因素。有时这种效应很小，甚至注意不到，但如果负载效应过大，它所改变的就不仅仅是您在屏幕上看到的内容。它还会影响器件的工作状态。显然，您希望尽可能减少负载效应。可惜，由于这是寄生的负载效应，您将永远无法完全消除它，但对它了解得越多，就越可能帮助您减少它对器件的影响。

　　在图 8 的基本探头模型中，您可以看到无源探头的电感、电容和电阻。电阻是一个分立元件，这意味着它被设计在探头末端，以便将探头从电路中隔离开来并尽量减小负载效应。探头电容是设计中的电容元器件和寄生电容共同形成的结果。

　　图 8. 探头基本原理图。

　　图 9 中的图形使得这更容易理解。注意图形左边，在直流频率范围内，输入阻抗约为 100 kΩ。对信号来说，这看起来像是一个 100 kΩ 接地电阻。但是，在图形右侧的 MHz 区域内，阻抗开始下降，因为电容的阻抗与频率成反比。因此，随着频率变高，电容开始变得比电阻更容易接地。

　　图 9. 电容的阻抗与频率成反比。

　　有源探头的负载效应远远小于无源探头，因为无源探头仅由电阻和电容元件制成。有源探头的负载效应远远小于无源探头，因为无源探头仅由电阻和电容元件制成。

　　第 4 个错误：不确定应该选择有源探头还是无源探头

　　首先我们来看一个无源探头与有源探头对比的示例，如图 10 所示。这里对比的是阻抗和频率。继续考虑探头负载效应，大部分工程师在阅读探头技术资料时，关注点都在电阻上。他们或许会比较无源探头的 10 MΩ 电阻与有源探头的 1 MΩ 电阻，然后想： “无源探头的电阻更大，这说明负载效应更低。”但是，他们真正应该考虑的是我们在上面讨论过的另一个重要因素，即电容。您可以比较图 10 中无源探头的 9.5 pf 电容与有源探头的 1 pf 电容。

　　图 10. 有源探头和无源探头对比。

　　图 10 底部的图形可以帮助您直观地理解两种不同电容的阻抗与频率关系差异。无源探头的红色迹线和有源探头的蓝色迹线会在某一点相交叉。两个探头有同一阻抗的频率点为 10 kHz。但是，随着频率升高，它们的阻抗看起来差别很大。在 70 MHz 时，无源探头只有 150 Ω，而有源探头为 2.5 kΩ。有源探头的阻抗高得多，这正是您想要的。较高的阻抗将减少电容负载效应。有源探头的阻抗高得多主要是因为其电容较低。在这种频率上，电容的作用要远大于电阻值的作用。因此，千万不要忘记检查探头的电容技术指标。

　　负载效应在无源探头和有源探头之间造成的另一个重要区别是精度。要分析这种情况，最简单的方法是使用两种探头来测量信号的上升时间。图 11 中的绿色迹线显示了信号不通过探头而是使用特殊附件直接进入示波器的情况。可以看到，信号的真实上升时间为 1.1 ns。当无源探头与器件连接时，红色迹线出现，此时上升时间测得为 1.5 ns。与真实上升时间相比，偏差 0.4 ns。连接有源探头后(黄色迹线)，您会发现上升时间测量值与实际值几乎没有差别。您甚至都看不到黄色迹线。由于有源探头的负载效应小得多，因而精度也高得多。

　　图 11. 无源探头和有源探头负载效应对上升时间的影响对比。

　　探头阻抗随频率发生变化，有源探头的阻抗大于无源探头的阻抗。有源探头更精确，但也更昂贵。您可能并不总是需要高精度，因此您想评测探头在需要处理的特定频率范围内的负载效应，从而确定其是否在测试的允许范围内。请记住，始终要注意探头负载效应的两个关键属性：电阻和电容。电阻值应尽可能高，电容值应较小，这样可以获得更小的负载效应。

　　第 5 个错误：忘了考虑连接带宽和负载效应

　　连接带宽

　　连接带宽即探头与被测器件之间的连接的带宽。在许多情况下，会在探头尖端使用附件，更方便地建立牢固连接。但是，这类附件会成为系统中最薄弱的环节，给带宽带来限制，尽管您已经选择了带宽最适合的示波器和探头。在确定所需的带宽和探头附件时，必须考虑到这一点。

　　考虑图 12 中的 2 GHz 有源探头，从中理解负载效应为什么是测量系统中的最薄弱环节。能够与探头搭配的附件有很多种。在第一个例子中，双引线适配器和夹具抓取器连接到器件。这是一个很短的连接，所以带宽仍然为 500 MHz。如果您去掉夹具端部，只保留引线，那么连接更短，所以可以看到更好的带宽。但是，如果将所有附件都完全移除，有可能得到最短的连接，并提供最佳带宽(2 GHz)。

　　现在您了解了最薄弱的环节将如何改变您在屏幕上看到的测量结果。但是，实际上在很多情况下使用这样的附件还是很有必要的，或者由于信号频率较低，不需要太宽的带宽，所以可以使用附件。但对于需要更大的带宽以便看到更快上升时间的应用，千万不要忘记考虑连接带宽。连接应尽量短，才能实现尽量大的带宽。

　　连接负载效应

　　屏幕上看到的连接负载效应值与连接带宽平行。您可以在图 12 中观察同一个有源探头的结果来理解负载效应。使用引线适配器和夹具抓取器时，对信号产生的负载效应相对较低，但还是会有一些。如果完全不连接任何附件，负载效应将降到最低。您可以看到它是如何随附件而变化的，类似于连接带宽。不使用任何附件时，负载将会非常小，以至于您很可能在测量中甚至不会注意到它。当您尝试确定哪些附件最适合您的应用时(如果有的话)，知道这个规律尤其有用。

　　有一个简单的技巧可以确定您的器件将会遇到多少连接负载效应。它的名称是：双探头系统。其理论依据是在设计中的同一个位置使用两个探头，以估计一个探头的负载效应。基本上，使用一个探头和两个探头进行测量之间的差异与不用探头和用一个探头测量的差异大体相同。

　　1. 将探头和附件连接到被测器件

　　2. 测量信号的上升时间，并保存屏幕上显示的迹线，以便稍后进行比较

　　3. 使用相同的装置/附件将另一个探头连接到相同点。

　　图 12. 不同的连接和带宽效应。

　　您可以在示波器屏幕(图 13)上大略看到负载效应有多大。这就是“单探头”迹线与 “双探头”迹线的差别。看到这些信息，您就可以知道使用不同的探头和附件将会为系统引入多少负载效应。再重复一遍，探头末端到被测器件之间的附件或连接越短，您在信号上看到的连接负载效应就越小。

　　图 13. 双探头法演示。

　　第 6 个错误：低估了衰减比

　　探头的另一个重要技术指标是衰减比。大部分应用需要的衰减比各不相同。您需要多大的衰减比，由要测量的信号大小决定。衰减比将决定信号如何馈入示波器，以及最终如何在屏幕上显示。我们退一步来思考为什么要使用不同的衰减比。示波器是非常灵敏的仪器，只能在一定的电压范围内工作，以防止受到损坏。如果您正在处理较大的电压，则需要通过分压将电压降低到示波器的安全电压范围内。分压值就是衰减比，不同的信号和应用需要采用不同的衰减比。

　　如果您正在处理较高的电压，则需要使用较高的衰减比，比如说 10:1。这意味着将探头连接到器件时，在示波器屏幕上看到的信号将仅为器件实际输出信号的十分之一。如果您正在处理较高的电压，那么应该将其缩小到原来的十分之一，以适应 ADC 的范围并正确进行处理。如果您正在处理小电压，则需要使用较小的衰减比，例如 1:1 探头。这样可以尽量充分利用 ADC，让您更准确地查看小信号。如果使用类似 1:1 探头这样的器件来测量大电压，则信号会被削波，并且无法在屏幕上查看整个信号。衰减比可以从低电压应用时的 1:1 一路升高到高电压应用时的 1000:1。不同的衰减比各有优缺点，但再次重申一遍，这要根据信号的大小来决定。使用较高的衰减比会从示波器放大器引入更多噪声，而使用较低的衰减比意味着噪声较少，但同时也会对信号产生更大负载效应，有用频率范围也显著降低。

　　图 14. 将同一个信号输入两个通道，纵轴设置为 5V/格，您可以看到 10:1 探头(黄色迹线)与 1:1 探头(绿色迹线)之间的差异。

　　了解探头和示波器技术指标有助于您更好地理解衰减比。以图 15 中的 10:1 探头原理图为例。这种探头通常是示波器的标配探头。它将一个 9 MΩ 的探头末端电阻与示波器的 1 MΩ 输入阻抗串联。探头末端上的电阻于是就变为 10 MΩ，意味着进入示波器的信号电压为探头末端连接处电压的 1/10。

　　图 15. 探头和示波器连接原理图。

　　根据这些知识，您可以轻松地为应用选择具有适合衰减比的探头。这完全取决于您要处理的信号电压。

　　理解所有这些关键的探头技术指标，将会帮助您避免其他工程师在示波器探头选型时常犯的错误。

　　记住不要犯的最大错误：绝对不要低估探头的能力!否则，您所测量的信号与屏幕上显示的信号之间会出现很大差异。确保您选择的探头符合测试中重要技术指标的要求。以上内容由普科科技/PRBTEK整理分享， 西安普科电子科技有限公司致力于示波器测试附件配件研发、生产、销售，涵盖产品包含电流探头、差分探头、高压探头、无源探头、电源纹波探头、柔性电流探头、近场探头、逻辑探头、功率探头和光探头等。旨在为用户提供高品质的探头附件，打造探头附件国产化知名品牌。更多信息，欢迎登陆官方网站进行咨询：http://www.prbtek.cn