探頭ABC

基礎(chǔ)篇

/accessories1

基礎(chǔ)篇

高精度測量從探針開始安全摘要

在電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)或電路上進行測量時，人身安

泰克探頭選擇

全是最為重要的問題。用戶一定要了解正在使用的測

有了在線、互動的工具，你可以通過探頭的系列、探頭的

量設(shè)備的功能和極限值。另外，在進行任何測量之

型號、或標(biāo)準(zhǔn)/應(yīng)用來搜索與您特定測試要求相匹配的探

前，還要全面熟悉被測量的系統(tǒng)或電路。應(yīng)審核被測

頭。隨著每次點擊，與示波器產(chǎn)品相配套的配置清單將不

系統(tǒng)的所有文檔和線路圖，特別注意電路中的電壓和

斷更新。現(xiàn)在就來試試：/probes

位置，留意任何和所有注意事項標(biāo)記。

泰克資源此外，一定要審核下述安全注意事項，避免人身傷害

我們不斷擴大由技術(shù)簡介、應(yīng)用指南和其它資源組成的及給連接的測量設(shè)備或系統(tǒng)帶來損失。如需下述任何

資料庫，可以幫助您最大限度地利用探頭和其它設(shè)備。注意事項的進一步闡述，請參閱：安全注意事項。

請與當(dāng)?shù)靥┛舜硖幝?lián)系，或訪問網(wǎng)址：

遵守所有終端評級

。

使用正確的接地程序

正確連接和斷開探頭

避免暴露的電路

在處理探頭時避免射頻灼傷

不要在沒有保護蓋的情況下使用測量設(shè)備

不要在潮濕的環(huán)境中使用測量設(shè)備

不要在爆炸性的空氣中使用測量設(shè)備

不要在可能有問題時使用測量設(shè)備

保持探頭表面清潔干燥

不要把探頭浸入液體中

2/accessories

基礎(chǔ)篇

被測

電路

示波器

探頭

測試點

圖1.1.探頭是在示波器和測試點之間進行物理連接和電連接

的設(shè)備。

探頭－測量質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)從本質(zhì)上看，探頭是示波器測量鏈中的第一個環(huán)節(jié)。這

探頭對示波器測量至關(guān)重要。為了解其重要意義，從示一測量鏈的強度在很大程度上依賴探頭和示波器。如果

波器上不連接探頭，試著進行測量，結(jié)果是不能進行測不適當(dāng)?shù)奶筋^或探測方法不對而導(dǎo)致第一個環(huán)節(jié)變得受

量。在被測信號和示波器的輸入通道之間必需有某類電影響，那么將影響整個探測鏈路。在本節(jié)及下面幾節(jié)

連接，也就是某類探頭。中，您將了解導(dǎo)致探頭優(yōu)劣勢的因素及怎樣為應(yīng)用選擇

適當(dāng)?shù)奶筋^。您還將了解正確使用探頭的部分重要技

探頭除對示波器測量至關(guān)重要外，探頭對測量質(zhì)量也非

巧。

常關(guān)鍵。把探頭連接到電路上可能會影響電路操作，示

波器只能顯示和測量探頭傳送到示波器輸入上的信號。什么是探頭?

首先讓我們看一下什么是示波器探頭。從本質(zhì)上看，探

因此，探頭對探測的電路影響必須達到最小，并對所期

頭在測試點或信號源和示波器之間建立了一條物理和電

望的測量保持足夠的信號保真度。

連接。根據(jù)測量需求，這一連接可能會非常簡單，如使

如果探頭不能保持信號保真度，如果它以任何方式改變用一條長一點的導(dǎo)線；也可能會非常復(fù)雜，如使用有源

信號或改變電路運行的方式，示波器會看到實際信號的差分探頭。

失真結(jié)果，進而可能會導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果或誤導(dǎo)性的

完全可以這樣講，示波器探頭是把信號源連接到示波器

測量結(jié)果。

輸入上的某類設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)。如圖1.1所示，探頭在測量

圖中指定為沒有定義的設(shè)備。

4/accessories

探頭ABC

在物理上把探頭連接到測試點還在探針和示波器輸入之

探頭間建立了一個電連接。為獲得可用的測量結(jié)果，把探頭

補償設(shè)備

示波器連接到電路上必須最大限度地降低電路操作的方式，探

針上的信號必須通過探頭頭部和電纜，以足夠的保真度

被測傳送到示波器的輸入。

電路

這三個問題(物理連接、對電路的影響最小和足夠的信號

保真度)涵蓋了正確選擇探頭時要考慮的最主要因素。由

于探頭影響和信號保真度是比較復(fù)雜的問題，本文章用

探頭頭部探頭了很大篇幅解釋這些問題。但是，千萬不要忽略物理連

電纜

接問題。如果很難把探頭連接到測試點上，探測方法通

常會降低保真度。

測試點

理想的探頭

圖1.2.大多數(shù)探頭由探頭頭部、探頭電纜和補償設(shè)備或其它在理想情況下，理想的探頭將提供下述主要特點：

信號調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)組成。連接容易、方便

絕對信號保真度

零信號源負(fù)載

不管探頭實際上是什么，它必須在信號源和示波器輸入

能夠完全抗干擾

之間提供足夠方便優(yōu)質(zhì)的連接(圖1.2)。連接的充分程

度有三個關(guān)鍵的問題：物理連接、對電路的影響和信號連接容易和方便

傳輸。前面提到，建立到測試點的物理連接是探測的關(guān)鍵要求

為使用示波器測量，必須先能夠在物理上把探頭連接到之一。在理想的探頭中，還應(yīng)能夠容易、方便地進行物

測試點。為實現(xiàn)這一點，大多數(shù)探頭至少一兩米長的相理連接。

關(guān)電纜，如圖1.2所示。這一探頭電纜使示波器能夠保對微型電路，如高密度表面封裝技術(shù)(SMT)，通過微型

持在手推車或工作臺的固定位置上，同時探頭在被測電探頭頭部及為SMT設(shè)備設(shè)計的各種探針適配器，來提高

路的測試點之間移動。但這在一定程度上影響了方便連接的容易性和方便性。

性。探頭電纜降低了探頭帶寬；電纜越長，下降的幅度

越大。

除電纜長度外，大多數(shù)探頭還有一個探頭頭部或帶探針

的把手。探頭頭部可以保持探頭，用戶則可以移動探

針，與測試點接觸。通常這一探針采用彈簧支撐的掛鉤

形式，可以把探頭實際連接到測試點上。

/accessories5

基礎(chǔ)篇

這種探測系統(tǒng)如圖1.3a所示。但是，這些探頭在工業(yè)圖1.3a,1.3b,和1.3c為不同的應(yīng)用技術(shù)和測量需求提供了

電力電路等應(yīng)用中實際使用時太小了，在這些工業(yè)電力各種探頭

電路應(yīng)用中，通常使用高壓線和大號線。在電力應(yīng)用

中，要求使用具有更高安全余量、在物理上更大的探

頭。圖1.3b和1.3c說明了這種探頭實例，其中圖1.3b

是高壓探頭，圖1.3c是夾子式電流探頭。

從這些物理實例中，可以明顯看出，并沒有一種理想的

探頭規(guī)格或配置可以適用于所有應(yīng)用。正因如此，業(yè)內(nèi)

已經(jīng)設(shè)計出各種探頭規(guī)格和配置，以滿足各種應(yīng)用的物

理連接要求。

絕對信號保真度

理想的探頭應(yīng)以絕對的信號保真度，把任何信號從探針

傳送到示波器輸入上。換句話說，探針上發(fā)生的信號應(yīng)圖1.3a.探測SMT設(shè)備。

真實地復(fù)現(xiàn)在示波器輸入端。

為實現(xiàn)絕對保真度。從探針到示波器輸入的探頭電路必

須擁有零衰減、無窮大的帶寬及在所有頻率中實現(xiàn)線性

相位。這些理想要求在實踐中不僅是不可能實現(xiàn)的，也

是不可行的。例如，在處理音頻頻率信號時，沒有人會

需要帶寬無窮大的探頭或示波器。在500MHz就能涵

蓋大多數(shù)高速數(shù)字、電視和其它典型示波器應(yīng)用時，也

不需要無窮大的帶寬。

但是，在給定工作帶寬范圍內(nèi)，絕對信號保真度仍是廣

大用戶一直尋求的夢想。

零信號源負(fù)載圖1.3b.高壓探頭。

測試點后面的電路可以視作一種信號源模型。連接到測

試點的任何外部設(shè)備，如探頭，都會在測試點后面信號

源上表現(xiàn)為額外的負(fù)載。

在從電路(信號源)吸收信號電流時，外部設(shè)備作為負(fù)載

操作。這一負(fù)載或吸收的信號電流會改變測試點后面的

電路，進而改變測試點上看到的信號。理想的探頭導(dǎo)致

的信號源負(fù)載為零。

圖1.3c.夾子式電流探頭。

6/accessories

探頭ABC

換句話說，它不會從信號源吸收任何信號電流。這意味探頭

著，為了使吸收的電流為零，探頭必須具有無窮大的阻

示波器

抗，從而在本質(zhì)上對測試點表示為開路。

接地線

在實際中，零信號源負(fù)載的探頭是不能實現(xiàn)的。這是因

a.DC(0Hz)信號的分布式電阻

為探頭必須吸收少量的信號電流，以在示波器輸入上形

成信號電壓。結(jié)果，在使用探頭時預(yù)計將產(chǎn)生一定的信探頭

號源負(fù)載。但是，我們的目標(biāo)應(yīng)一直是通過正確選擇探

頭，最大限度地降低負(fù)載影響。示波器

完全噪聲抑制能力接地線

熒光燈和風(fēng)扇馬達是周圍環(huán)境中存在的眾多電子噪聲源b.AC信號的分布式電阻、電感和電容

的兩種來源。這些噪聲源會在附近的電氣電纜和電路上

圖1.4a和圖1.4b探頭是由分布式電阻、電感和電容(R,L和

引起噪聲，進而導(dǎo)致在信號中增加噪聲。由于容易受到

C)單元組成的電路

感應(yīng)的噪聲影響，一段簡單的導(dǎo)線是示波器探頭的次優(yōu)

選擇。

理想的示波器探頭要能夠全面抗擊所有噪聲源。結(jié)果，

頻率)，探頭表現(xiàn)為一對簡單的導(dǎo)線，其帶有一定的串聯(lián)

與測試點上的信號出現(xiàn)的噪聲相比，傳送到示波器上的

電阻和端接電阻(圖1-4a)。但是，對AC信號，隨著信

信號不會產(chǎn)生更多的噪聲干擾。

號頻率提高，圖形會發(fā)生明顯變化(圖1-4b)。

在實踐中，使用屏蔽可以使探頭對大多數(shù)常用信號電平

之所以對AC信號圖形會發(fā)生變化，是因為任何一段導(dǎo)

實現(xiàn)高級抗噪聲能力。但是，對某些低電平信號，噪聲

線都有分布式電感(L)，任何線對都有分布式電容(C)。

仍可能是一個問題。在實踐中，共模噪聲會給差分測量

在信號頻率提高時，分布式電感通過提高阻止AC電流。

帶來問題，我們在后面將對此進行討論。

在信號頻率提高時，分布式電容通過降低到AC電流的

探頭的實際特點阻抗。這些電抗單元(L和C)和電阻單元(R)的交互，產(chǎn)

上面討論的理想的探頭提到了多種實際情況，使得實際生了會隨著信號頻率變化的總探頭阻抗。通過采用良好

探頭并不能達到理想水平。為理解這些情況怎樣影響示的探頭設(shè)計，可以控制探頭的電阻、電感和電容單元，在

波器測量，我們必需進一步考察探頭的實際特點。指定頻率范圍上提供希望的信號保真度、衰減和信號源

首先，必需認(rèn)識到，即使探頭只是一段簡單的導(dǎo)線，但負(fù)載。但即使設(shè)計良好，探頭仍受到電路特點的限制。在

探頭仍可能是一個非常復(fù)雜的電路。對DC信號(0Hz選擇和使用探頭時，必需了解這些限制及其影響。

/accessories7

基礎(chǔ)篇

下降-3dB

工作帶寬

測量誤差(%)

帶外操作

圖1-5.探頭和示波器是為在工作帶寬上進行測量根據(jù)規(guī)范設(shè)

計的。在超過3dB點的頻率上，信號幅度會變得極度衰減，

測量結(jié)果可能會變得不能預(yù)測。

上升時間的比率

帶寬和上升時間限制圖1.6.可以從上圖中估算出上升時間測量誤差。上升時間比

帶寬是示波器或探頭設(shè)計使用的頻率范圍。例如：100被測脈沖快三倍(3:1比率)的示波器/探頭組合預(yù)計可以測量

MHz探頭或示波器是為在高達100MHz的所有頻率上5%范圍內(nèi)的脈沖上升時間。5:1的比率將僅有2%的誤差。

進行測量而設(shè)計的。在超過指定帶寬時，可能會發(fā)生不

希望或不能預(yù)測的測量結(jié)果(圖1-5)。在沒有指定上升時間的情況下，可以使用下述關(guān)系，從

一般來說，為準(zhǔn)確地進行幅度測量，示波器的帶寬應(yīng)比帶寬(BW)指標(biāo)中推導(dǎo)得出上升時間(Tr):

被測的波形頻率高五倍。這種“五倍規(guī)則”保證了為非Tr=0.35/BW

正弦曲線波形中的高頻成分提供足夠的帶寬，如方形

每個示波器都有規(guī)定的帶寬和上升時間極限。類似的，

波。

每個探頭還有自己的帶寬和上升時間極限。此外，在探

與此類似，示波器必須為測量的波形提供充足的上升時頭連接到示波器時，會得到一套新的系統(tǒng)帶寬和上升時

間。示波器或探頭的上升時間定義為在使用理想的瞬時間極限。

上升脈沖時測得的上升時間。為在測量脈沖上升時間或

遺憾的是，系統(tǒng)帶寬與各個示波器和探頭的帶寬之間的

下降時間時實現(xiàn)合理的精度，探頭和示波器的總上升時

關(guān)系并不是簡單的關(guān)系，上升時間也是如此。為處理這

間應(yīng)該比被測脈沖快3-5倍(圖1.6)。

個問題，在示波器與指定型號的探頭一起使用時，優(yōu)質(zhì)

示波器的制造商會指定帶寬或上升時間。這一點非常重

要，因為示波器和探頭一起使用時會構(gòu)成一個測量系

統(tǒng)，而系統(tǒng)的帶寬和上升時間則決定著測量功能。如果

使用的探頭沒有列入示波器推薦探頭配置，那么您可能

會獲得預(yù)測不到的測量結(jié)果。

8/accessories

探頭ABC

動態(tài)范圍限制

所有探頭都有不應(yīng)超過的最大電壓安全極限。對無源探

頭，這一極限值可以從幾百伏到幾千伏。而對有源探

頭，最大安全電壓極限則通常在幾十伏范圍內(nèi)。為避免

危及人身安全以及可能損壞探頭，最好了解被測的電壓

及使用的探頭的電壓極限值。

除安全考慮因素外，還要在實踐中考慮測量的動態(tài)范a.100k?負(fù)載的DC電路

圍。示波器具有幅度靈敏度范圍。例如，典型的靈敏度

范圍是1mV-10V/格。在八格顯示器上，這意味著用

戶一般可以在4mV峰到峰值到40V峰到峰值的信號上

合理地進行測量。

至少采用4格幅度的信號顯示，以獲得合理的測量分辨

率。在1X探頭(1倍探頭)中，動態(tài)測量范圍與示波器

相同。對上面的實例，信號測量范圍是4mV-40V。b.增加并聯(lián)探頭負(fù)載的

但是，如果必需測量40V范圍以上的信號時，會怎么樣同一條DC電路

呢？圖1.7a和圖1.7b.電阻負(fù)載實例。

通過使用衰減探頭，可以把示波器的動態(tài)范圍移到更高

的電壓。例如，10X探頭把動態(tài)范圍移到40mV-信號源負(fù)載效應(yīng)最簡單的實例是：電池動力的電阻網(wǎng)絡(luò)

400V。它通過把輸入信號衰減10倍，把示波器的刻度的測量，如圖1.7所示。在圖1.7a中，在連接探頭前，

有效地乘以10，來實現(xiàn)這一點。在最通用的用途中，首電池的DC電壓在電池的內(nèi)部電阻(Ri)和電池驅(qū)動的負(fù)載

選使用10X探頭，這是因為高端電壓范圍及其負(fù)載較電阻(Ri)之間進行劃分。在圖中給出了值，這得到的輸出

少。但是，如果您打算測量非常寬的電壓電平，您可能電壓為：

想考慮切換式1X/10X探頭，這種探頭實現(xiàn)了4mV-

Eo=Eb*RI/(Ri+RI)

400V的動態(tài)范圍。但是，在1X模式中，必須更多地

=100V*100,000/(100+100,000)

注意探頭負(fù)載效應(yīng)。

=10,000,000V/100,100

信號源負(fù)載=99.9V

如前所述，探頭必須吸收部分信號電流，以在示波器輸

在圖1.7b中，探頭已經(jīng)連接到電路上，導(dǎo)致了與RI并

入上形成信號電壓。這在測試點上帶來了負(fù)載，可能會

聯(lián)的探頭電阻(Rp)。如果Rp是100k?，那么圖1.7b中

改變電路或信號源傳送到測試點上的信號。

的有效負(fù)荷電阻被減少一半，為50k?。

在這個在Eo上的負(fù)載效應(yīng)是：

Eo=100V*50,000/(100+50,000)

=5,000,000V/50,100

=99.8V

/accessories9

基礎(chǔ)篇

圖1.8.對AC信號源，探針電容(Cp)是用戶最擔(dān)心的負(fù)載。

隨著信號頻率提高，電容電抗(Xc)會下降，導(dǎo)致更多的信號

流經(jīng)電容器。

接地線電感

圖1.9.探頭地線在電路中增加了電感。地線越長，電感越大，

99.9的負(fù)荷效應(yīng)與99.8相比只差0.1%，對大多數(shù)用途在快速脈沖上看到減幅振蕩。

可以忽略不計。但是，如果Rp比較小，如10k?，那

么這一效應(yīng)就不能再忽略不計了。

由于地線是一條導(dǎo)線，因此它有一定數(shù)量的分布式電感

為使這類電阻負(fù)荷達到最小，1X探頭一般有1M?的電

(參見圖1.9)。這一電感與探頭電容相互影響，在L和

阻，10X探頭一般有10M?的電阻。在大多數(shù)情況下，

C值確定的某個頻率上導(dǎo)致減幅振蕩。這個減幅振蕩是

這些值幾乎不會導(dǎo)致電阻負(fù)荷。

不可避免的，可以視作蓋在脈沖上衰落的幅度的正弦曲

但是，在測量高電阻信號源時，應(yīng)可以預(yù)計到某些負(fù)線。通過設(shè)計探頭接地，使減幅振幅頻率發(fā)生在探頭/

載。通常情況下，用戶最擔(dān)心的負(fù)載是探針上的電容導(dǎo)示波器系統(tǒng)帶寬極限之外，可以降低減幅振蕩的影響。

致的負(fù)載(參見圖1.8)。對低頻，這一電容具有非常高

為避免接地問題，應(yīng)一直使用隨探頭提供的最短的地

的電抗，影響很小或沒有影響。但隨著頻率提高，電容

線，代以其它方式的接地可能會導(dǎo)致被測脈沖上出現(xiàn)減

電抗會下降。其結(jié)果，負(fù)載會在高頻上提高。

幅振蕩。

這種電容負(fù)荷影響著測量系統(tǒng)的帶寬和上升時間特點，

因為它降低了帶寬，使得上升時間變大。探頭是傳感器

在處理示波器探頭的實際特點時，重要的一點是記住探

通過選擇探頭前端電容值低的探頭，可以使電容負(fù)載達

頭是傳感器。大多數(shù)示波器探頭是電壓傳感器。也就是

到最小。下表提供了各種探頭的部分典型電容值：

說，它們傳感或探測電壓信號，把電壓信號傳送到示波

器輸入端。

探頭衰減電阻R電容C

P6101B1X1M?100pF

P6106A10X10M?11pF

P6139A10X10M?8pF

P624310X1M?1pF

10/accessories

探頭ABC

一些探測技巧

選擇滿足示波器和應(yīng)用需求的探頭，可以使您能夠進行

必要的測量。實際上，進行測量和獲得有用的結(jié)果還取

決于怎樣使用工具。下面的探針將有助于您避免某些常

見的測量問題：

補償探頭

大多數(shù)探頭是為與特定型號的示波器輸入而設(shè)計的。但

是，在示波器之間、甚至在同一臺示波器不同的輸入通

道之間會略有差異。為在必要時處理這一差異，許多探

頭、特別是衰減探頭(10X和100X探頭)都帶有內(nèi)置補

償網(wǎng)絡(luò)。

圖1.10.在探頭頭部或在補償設(shè)備上進行探頭補償調(diào)節(jié)，其中如果探頭帶有補償網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該調(diào)節(jié)這一網(wǎng)絡(luò)，針對要使

補償設(shè)備連接到示波器輸入端上。用的示波器通道補償探頭。為此，應(yīng)采用下述程序：

1.把探頭連接到示波器上。

但是，還有其它探頭，允許您傳感除電壓信號之外的其

2.把探針連接到示波器前面板上的探頭補償測試點(參見

它現(xiàn)象。例如，電流探頭是為傳感流經(jīng)導(dǎo)線的電流而設(shè)

圖1.10)。

計的。探頭把傳感的電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，然后

3.使用隨探頭或其它非磁性調(diào)節(jié)工具提供的調(diào)節(jié)工具，

傳送到示波器的輸入端上。

調(diào)節(jié)補償網(wǎng)絡(luò)，獲得頂部平坦、沒有過沖或圓形的校

類似的，光探頭傳送光功率，把它轉(zhuǎn)換成電壓信號，然準(zhǔn)波形顯示(參見圖1.11)。

后由示波器進行測量。此外，示波器電壓探頭可以與各

4.如果示波器帶有內(nèi)置校準(zhǔn)程序，運行這一程序，以提

種其它傳感器或轉(zhuǎn)換器一起使用，測量不同類型的信

高精度。

號。例如，振動傳感器允許您在示波器屏幕上查看機械

振動信號。具體情況根據(jù)市場上提供的傳感器種類而沒有補償?shù)奶筋^可能會導(dǎo)致各種測量誤差，特別是在測

定。量脈沖上升時間或下降時間時。為避免這些誤差，應(yīng)在

把探頭連接到示波器后立即補償探頭，另外要經(jīng)常檢查

但是在任何情況下，轉(zhuǎn)換器、探頭和示波器組合必須視

補償結(jié)果。

作一個測量系統(tǒng)。此外，上面討論的探頭實際特點還可

以延伸到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器也具有帶寬限制，可能會導(dǎo)致

負(fù)載效應(yīng)。

/accessories11

基礎(chǔ)篇

圖1.11a.過補償圖1.11b.欠補償圖1.11c.正確地補償

圖1.11a，圖1.11b和圖1.11c.探頭補償對方波的影響實例。

圖1.12a.直接探測連接圖1.12b.2英寸長的探測連接

圖1.12a和圖1.12b.即使焊接到測試點上的一小段線也可能會導(dǎo)致信號保真度問

題。在這種情況下，上升時間從4.74ns(圖1.12a)變成了5.67ns(圖1.12b)。

圖1.13a.6.5英寸長的探頭接地線圖1.13b.28英寸長的探頭接地線

圖1.13a和圖1.13b.延長探頭地線長度可能會導(dǎo)致脈沖上出現(xiàn)振鈴。

12/accessories

探頭ABC

此外，最好在改變探針適配器時應(yīng)檢查探頭補償情況。線，然后在查看各個測試點時在系統(tǒng)上移動探頭。但是，

延長的地線增加的電感可能會導(dǎo)致快速轉(zhuǎn)換波形上出現(xiàn)

在可能的地方使用相應(yīng)的探頭前端適配器

減幅振蕩(振鈴)，如圖1.13所示，它顯示了在使用標(biāo)準(zhǔn)

與被測電路相適應(yīng)的探針適配器會使得探頭連接變得非

探頭地線和延長地線時進行的波形測量結(jié)果。

?？旖?、方便、在電重復(fù)性好以及非常穩(wěn)定。遺憾的是，

把長度很短的導(dǎo)線焊接到電路點上，來代替探針適配器小結(jié)

的情況并不少見。在第一章中，我們提供選擇適當(dāng)?shù)奶筋^及正確使用探頭

問題在于，即使一兩英寸的導(dǎo)線在高頻上也會導(dǎo)致明顯的所有基本信息。在下面幾章中，我們將展開討論這些

的阻抗變化。這種變化的影響如圖1.12所示，在圖1.信息，并介紹與探頭和探測技術(shù)有關(guān)的更高級的信息。

12中，其中使用探針的直接觸點測量電路，然后通過

電路和探針之間的一段短線進行測量。

使地線盡可能短、盡可能直接接觸

在進行性能檢查或診斷大型電路板或系統(tǒng)時，工程師可

能會傾向于延長探頭的地線。延長地線可以一次連接地

/accessories13

基礎(chǔ)篇

為滿足不同需求提供不同的探頭

市場上提供了數(shù)百種、甚至數(shù)千種不同的示波器探頭。

僅泰克測量產(chǎn)品目錄就列出了70多種不同型號的探頭。

選擇范圍如此廣泛的探頭是否真有必要呢？答案

是肯定的，在本章中，您將發(fā)現(xiàn)其原因是什么。

在理解了這些原因之后，您將更好地作好準(zhǔn)備，選擇能

夠與正在使用的示波器和需要進行的測量類型相匹配的

探頭。其好處是，選擇適當(dāng)?shù)奶筋^將能夠增強測量功能

和結(jié)果。

為什么有這么多的探頭?

可供選擇的示波器型號和功能非常廣泛，是市場上出現(xiàn)圖2.1.必需提供各種連接器類型的探頭，以與不同的示波器

大量探頭的基本原因之一。不同的示波器要求不同的探輸入通道連接器相匹配。

頭。400MHz示波器要求支持400MHz帶寬的探頭。

因此，探頭選擇中還必須包括使連接器能夠兼容所使用

但是，許多功能和成本相同的探頭會爭奪100MHz示波的示波器。這可以是直接兼容連接器，也可以是通過相

器，因此，必須設(shè)計一套不同的探頭，來支持100MHz應(yīng)適配器進行的連接。

的帶寬。

讀數(shù)支持在探頭/示波器連接器兼容能力尤為重要。在

一般來說，在可能時，應(yīng)選擇與示波器的帶寬相匹配的示波器上互換1X和10X探頭時，示波器的垂直標(biāo)度讀

探頭。如果不能做到這一點，那么最好選擇超過示波器數(shù)應(yīng)體現(xiàn)1X到10X的變化。例如，如果示波器連接1X

帶寬的探頭。探頭時的垂直標(biāo)度讀數(shù)是1V/格(每格1伏)，然后換成

但是，帶寬只是一個開端。示波器還可能有不同的輸入10X探頭，那么垂直讀數(shù)應(yīng)以10倍的系數(shù)變成10V/格。

連接器類型和不同的輸入阻抗。例如，大多數(shù)示波器使如果示波器讀數(shù)中沒有體現(xiàn)這種從1X到10X變化，那

用一個簡單的BNC類型的輸入連接器。其它示波器可么使用10X探頭進行的幅度測量將比本來數(shù)字低10

能會使用SMA連接器，如圖2.1所示，還有的示波器倍。

帶有專門設(shè)計的連接器，支持讀數(shù)、軌跡ID、探頭功某些通用或商用探頭可能不支持所有示波器的讀數(shù)功

率或其它專用功能。能。結(jié)果，在使用通用探頭代替示波器制造商專門推薦

的探頭時必需特別注意。

除帶寬和連接器差異外，各種示波器還有不同的輸入電

阻和電容值。一般來說，示波器輸入電阻是50歐姆或

14/accessories

探頭ABC

1兆歐。但是，根據(jù)示波器的帶寬指標(biāo)和其它設(shè)計因素，

輸入電容可能會有很大變化。為實現(xiàn)正確傳送信號和保

真度，重要的一點是探頭的電阻和電容與其使用的示波

器的電阻和電容相匹配。例如，50歐姆探頭應(yīng)與50歐單端信號

姆示波器輸入一起使用。類似的，1兆歐探頭應(yīng)在1兆

歐輸入電阻的示波器上使用。

在使用衰減器探頭時，這種一對一電阻匹配會出現(xiàn)例

外。例如，用于50歐姆環(huán)境的10X探頭將有500歐姆

的輸入電阻，用于1兆歐環(huán)境的10X探頭將有10兆歐

的輸入電阻。(衰減器探頭如10X探頭也稱為分路器探頭

差分信號

和復(fù)用器探頭。這些探頭乘以示波器的測量范圍，其通

過衰減或除以示波器提供的輸入信號來實現(xiàn)這一點)。

除電阻匹配外，探頭電容還應(yīng)與示波器的額定輸入電容

相匹配。通常情況下，這一電容匹配可以通過調(diào)節(jié)探頭

的補償網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。但是，只有在示波器的額定輸入電圖2.2.單端信號參考接地(a)，而差分信號則是兩條信號線或

容落在探頭的補償范圍內(nèi)時，才有可能實現(xiàn)這一點。因兩個測試點之差(b)。

此，探頭具有不同的補償范圍，以滿足不同示波器輸入

要求的情況并不少見。此外，許多情況下信號電壓是差分電壓。也就是說，信

示波器制造商已經(jīng)大大簡化了探頭與示波器的匹配問號存在于兩個點或兩條線中，這兩個點或兩個信號都沒

題。示波器制造商作為完整系統(tǒng)審慎地設(shè)計探頭和示波有處于接地或公共電位(參見圖2.2)。這種差分信號在電

器。結(jié)果，一直可以通過使用示波器制造商指定的標(biāo)準(zhǔn)話語音電路、計算機磁盤讀通道和多相電源電路十分常

探頭，來實現(xiàn)探頭與示波器的最佳匹配。使用制造商指見。測量這些信號也要求另一種探頭，稱為差分探頭。

定探頭之外的任何其它探頭，都可能會使測量性能無法還有許多情況，特別是在電源應(yīng)用中，電流或多或少地

達到最佳水平。與電壓相關(guān)。傳感電流、而不是電壓的另一類探頭可以

僅探頭與示波器匹配要求一項，就導(dǎo)致市場上出現(xiàn)大量最好地滿足這些應(yīng)用需求。

的基本探頭。然后，必需使用不同的探頭滿足不同的測電流探頭和差分電壓探頭只是提供的眾多不同探頭中的

量需求，又明顯提高了探頭數(shù)量。其最基本的差異在于兩種特定探頭。本章其余部分介紹了部分比較常見的探

被測的電壓范圍。毫伏、伏特和千伏測量一般要求具有頭類型及其優(yōu)勢。

不同衰減系數(shù)(1X,10X,100X)的探頭。

/accessories15

基礎(chǔ)篇

不同探頭類型及其優(yōu)勢大多數(shù)無源探頭是為用于通用示波器而設(shè)計的，因此其

帶寬范圍一般在小于100MHz到500MHz范圍或更高

在討論各種常見探頭類型前，必需知道類型經(jīng)常會有重

的帶寬之間。

疊。當(dāng)然，電壓探頭僅傳感電壓，但電壓探頭可以是無

源探頭，也可以是有源探頭。類似的，差分探頭是特定但是，有一種特定類型的無源探頭提供了高得多的帶

類型的電壓探頭，差分探頭也可以是有源探頭或無源探寬，其稱為50歐姆探頭、Zo探頭和分壓器探頭。這些

頭。在相應(yīng)的地方，我們將指出這些重疊關(guān)系。探頭是為用于50歐姆環(huán)境中而設(shè)計的，這些環(huán)境一般

是高速設(shè)備檢定、微波通信和時域反射計(TDR)。這些

無源電壓探頭

應(yīng)用使用的典型50歐姆探頭擁有幾千赫茲的帶寬和

無源探頭由導(dǎo)線和連接器制成，在需要補償或衰減時，

100皮秒或更快的上升時間。

還包括電阻和電容。探頭中沒有有源器件(晶體管或放

大器)，因此不需為探頭供電。有源電壓探頭

有源探頭包含或依賴有源器件，如晶體管。最常見的情

由于相對簡單，無源探頭一般是最堅固、最經(jīng)濟的探

況下，有源設(shè)備是一種場效應(yīng)晶體管(FET)。

頭。它們使用簡便，也是使用最廣泛的探頭。但是，不

要被使用簡單或結(jié)構(gòu)簡單所愚弄，優(yōu)質(zhì)無源探頭很少有FET輸入的優(yōu)勢是，它提供了非常低的輸入電容，一般

設(shè)計簡單的！為幾皮法，最低不到1皮法。

無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)(1X,這種超低電容可以實現(xiàn)用戶希望的多種效應(yīng)。首先，低

10X和100X)。在這些無源探頭中，10X無源電壓探頭電容值C相當(dāng)于高電容電抗值Xc。

是最常用的探頭，也是通常作為示波器標(biāo)準(zhǔn)配件提供的1

Xc=

探頭類型。2πfC

對信號幅度是1V峰峰值或更低的應(yīng)用，1X探頭可能要由于電容電抗是探頭的主要輸入阻抗要素，因此低電容

比較合適，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信會在更寬的頻段上導(dǎo)致高輸入阻抗。結(jié)果，有源FET探

號混合(幾十毫伏到幾十伏)的應(yīng)用中，可切換1X/10X頭的規(guī)定帶寬一般在500MHz-4GHz之間。

探頭要方便得多。但要記住，可切換1X/10X探頭在本除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻

質(zhì)上是一個產(chǎn)品中的兩個不同探頭，不僅其衰減系數(shù)不抗未知的測試點上進行測量，而負(fù)載效應(yīng)的風(fēng)險要低得

同，而且其帶寬、上升時間和阻抗(R和C)特點也不同。多。另外，由于低電容降低地線影響，可以使用更長的

結(jié)果，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提地線。但最重要的是，F(xiàn)ET探頭提供的負(fù)荷非常低，因

供標(biāo)準(zhǔn)10X探頭實現(xiàn)的最優(yōu)性能。此它們可以用于無源探頭嚴(yán)重負(fù)荷的高阻抗電路上。

16/accessories

探頭ABC

運算

磁盤讀

放大器

差分探頭

圖2.3.一些差分信號源實例。圖2.4.可以使用雙通道示波器(a)測量差分信號，或最好使用

差分探頭(b)。

由于這些積極優(yōu)勢，包括DC-4GHz的帶寬，您可能差分探頭

要問：為什么還要使用無源探頭呢？差分信號是互相參考、而不是參考接地的信號。圖2.3

說明了這些信號的多個實例，包括集電極負(fù)荷電阻器中

答案是有源FET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。有源

形成的信號、磁盤驅(qū)動器讀通道信號、多相電源系統(tǒng)和

探頭的線性動態(tài)范圍一般在±0.6V到±10V之間。另

信號在本質(zhì)上“漂浮”在接地之上的各種其它情況。

外它們可以耐受的最大電壓在±40V(DC+峰值A(chǔ)C)。

換句話說，其不能像無源探頭一樣測量從幾毫伏到幾十可以以兩種基本方式探測和測量差分信號。圖2.4說明

伏的電壓，在因疏忽而探測較高的電壓時，可能會損壞了這兩種方法。

有源探頭。靜電放電甚至也會損壞有源探頭。

如圖2.4所示，使用兩個探頭進行兩項單端測量是一種

但是，F(xiàn)ET探頭的高帶寬是一個重大優(yōu)勢，其線性電壓常用方法。通常情況下，它也是進行差分測量最不希望

范圍涵蓋了許多典型的半導(dǎo)體電壓。因此，有源FET探的方法。但是，之所以這一方法十分常用，是因為雙通

頭通常用于低電平應(yīng)用，包括快速邏輯系列，如ECL、道示波器帶有兩個探頭。測量到地的信號(單端)及使用

GaAs等等。示波器的數(shù)學(xué)運算函數(shù)從其它通道中減去一條通道(通道

A信號減通道B)，這似乎是獲得差分信號的優(yōu)秀解決方

案。在信號是低頻信號、擁有足夠幅度、能夠超過任何

擔(dān)心的噪聲的情況下，都可以采用這種解決方案。

/accessories17

基礎(chǔ)篇

把兩個單端測量組合在一起有多個潛在問題。其中一個

問題是沿著每個探頭直到每條示波器通道有兩條單獨的

長信號通路。這兩條通路之間的任何延遲差都會導(dǎo)致兩

個信號發(fā)生時間偏移。在高速信號上，這個偏移會導(dǎo)致

計算的差分信號中發(fā)生明顯幅度和定時誤差。為使這種

誤差達到最小，應(yīng)使用匹配的探頭。

單端測量的另一個問題是它們不能提供足夠的共模噪聲

抑制。許多低電平信號如磁盤讀通道信號以差分方式傳

輸和處理，以利用共模噪聲抑制功能。共模噪聲是附近

時鐘線在兩條信號線上導(dǎo)致的噪聲，或熒光等外部來源

發(fā)出的噪聲。在差分系統(tǒng)中，差分信號能夠去掉這種共

模噪聲。這種功能稱為共模抑制比(CMRR)。

圖2.5.P6015A支持75MHz的帶寬，可以測量高達20kV的

由于通道差異，隨著頻率提高，單端測量的CMRR性DC電壓及高達40kV的脈沖電壓。

能會迅速下降到令人失望的水平。如果保留共模干擾的

話，這會導(dǎo)致信號的噪聲比實際的噪聲還要大很多。高壓探頭

“高壓”是相對的概念。在半導(dǎo)體行業(yè)中視為高壓，在

另一方面，差分探頭使用差分放大器減去兩個信號，從

電源行業(yè)中實際