示波器探頭的選擇和使用原理分析

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，如下圖：

圖1示波器探頭的作用

探頭的選擇和使用需要考慮如下兩個(gè)方面：

其一：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；

其二：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

一、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)包括下面3部分：

1. 阻性負(fù)載效應(yīng)；

2. 容性負(fù)載效應(yīng)；

3. 感性負(fù)載效應(yīng)。

圖2探頭的負(fù)載效應(yīng)

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

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

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，一般地線電感=1nH/mm。

圖5探頭的感性負(fù)載

二、探頭的類(lèi)型

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)源有源顧名思義就是需不需要給探頭供電。

無(wú)源探頭細(xì)分如下：

1. 低阻電阻分壓探頭；

2. 帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o(wú)源探頭（最常用的無(wú)源探頭）；

3. 高壓探頭

有源探頭細(xì)分如下：

1. 單端有源探頭；

2. 差分探頭；

3. 電流探頭

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

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。下圖的左邊是存在高頻或低頻增益，調(diào)整后的補(bǔ)償信號(hào)顯示波形如下圖的右邊所示。

圖8無(wú)源探頭的補(bǔ)償

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?a target="_blank">元器件，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)

三、有源探頭
我們先來(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（如下圖中的蘭色信號(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。

單端有源探頭結(jié)構(gòu)圖如下，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?。ㄟ@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5V左右），比較脆弱，使用需小心。

圖11有源探頭結(jié)構(gòu)

差分探頭結(jié)構(gòu)圖如下，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?。ㄒ话阈∮?pf)，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?。ㄟ@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）。

電流探頭在測(cè)試直流和低頻交流時(shí)的工作原理：

當(dāng)電流鉗閉合，把一通有電流的導(dǎo)體圍在中心時(shí)，響應(yīng)地會(huì)出現(xiàn)一個(gè)磁場(chǎng)。這些磁場(chǎng)使霍爾傳感器內(nèi)的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在霍爾傳感器的輸出產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。電流探頭根據(jù)這個(gè)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生一個(gè)反向（補(bǔ)償）電流送至電流探頭的線圈，使電流鉗中的磁場(chǎng)為零，以防止飽和。電流探頭根據(jù)反向電流測(cè)得實(shí)際的電流值。用這個(gè)方法，能夠非常線性的測(cè)量大電流，包括交直流混合的電流。

圖13電流探頭測(cè)試直流和低頻時(shí)的工作原理

電流探頭在測(cè)試高頻時(shí)的工作原理：

隨著被測(cè)電流頻率的增加，霍爾效應(yīng)逐漸減弱，當(dāng)測(cè)量一個(gè)不含直流成分的高頻交流電流時(shí)，大部分是通過(guò)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱直接感應(yīng)到電流探頭的線圈。此時(shí)，探頭就像一個(gè)電流變壓器，電流探頭直接測(cè)量的是感應(yīng)電流，而不是補(bǔ)償電流，功放的輸出為線圈提供一個(gè)低阻抗的接地回路。

圖14電流探頭測(cè)試高頻時(shí)的工作原理

電流探頭在交叉區(qū)域時(shí)的工作原理：
當(dāng)電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區(qū)域時(shí)，部分測(cè)量是通過(guò)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的，另一部分是通過(guò)線圈實(shí)現(xiàn)的。

圖15電流探頭交叉區(qū)域的工作原理

四、有源探頭附件

現(xiàn)代的高帶寬有源探頭都采用分離式的設(shè)計(jì)方法，即：探頭放大器與探頭附件部分分開(kāi)。這樣設(shè)計(jì)的好處是：

1、支持更多的探頭附件，使得探測(cè)更加的靈活；

2、保護(hù)投資，最貴的是探頭放大器（一個(gè)探頭放大器可以支持多種探測(cè)方式，以前需要幾個(gè)探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)）；同時(shí)探頭附件保護(hù)探頭放大器（探頭附件即使損壞，價(jià)格也相對(duì)便宜）；

3、這種設(shè)計(jì)方式容易實(shí)現(xiàn)高帶寬。

圖16探頭附件

這些探頭附件，主要包括以下幾種：
1、點(diǎn)測(cè)探頭附件（包括：?jiǎn)味它c(diǎn)測(cè)和差分點(diǎn)測(cè)）；
2、焊接探頭附件（包括：?jiǎn)味撕附雍筒罘趾附?，分離式的ZIF焊接）；
3、插孔探頭附件；
4、差分SMA探頭附件（示波器一般直接支持SMA連接，但是如果被測(cè)信號(hào)需要上拉如HDMI，則必須使用SMA探頭附件）。

探頭附件的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：
1、在探頭附件尖端部分會(huì)有一對(duì)阻尼電阻（一般82ohm），這對(duì)阻尼電阻的作用是消除探頭附件尖端部分的電感的諧振影響；
2、探頭尖端部分的后面是25Kohm的電阻，這個(gè)電阻決定了探頭的輸入阻抗（直流輸入阻抗即電阻：?jiǎn)味?5Kohm，差分50Kohm），這個(gè)電阻使得被測(cè)信號(hào)傳輸?shù)教筋^放大器部分的功率是非常小的，不至于對(duì)被測(cè)信號(hào)有較大影響。
3、25Kohm的電阻后面是同軸傳輸線部分，這個(gè)傳輸線負(fù)責(zé)把小信號(hào)傳輸?shù)椒糯笃?。這個(gè)傳輸線的長(zhǎng)度可以很長(zhǎng)，也可以很短，中間可以加衰減器，也可以加耦合電容。
4、同軸傳輸線連接到放大器，放大器是50ohm匹配的（差分100ohm匹配）。

圖17有源探頭附件的結(jié)構(gòu)

有源探頭為了保持探頭的精確度，需要工作在恒溫狀態(tài)，所以探頭放大器不能放置到高低溫箱里進(jìn)行高低溫環(huán)境下被測(cè)電路板的測(cè)試。從探頭附件結(jié)構(gòu)中可見(jiàn)中間的50ohm傳輸線的長(zhǎng)短不影響探測(cè)，所以可以用很長(zhǎng)的同軸電纜或擴(kuò)展同軸電纜，讓這個(gè)同軸電纜伸進(jìn)高低溫箱里進(jìn)行高低溫?fù)Q進(jìn)下被測(cè)電路板的測(cè)試。如下圖是N5450A擴(kuò)展電纜，使用N5381A焊接探頭附件，可以工作在-55°到150°溫度范圍。

使用N5450A擴(kuò)展電纜和N5381A探頭附件，使用1169A 12GHz探頭放大器，在-55°和150°環(huán)境下的頻響曲線如下圖所示，可見(jiàn)能夠滿足高速信號(hào)測(cè)試的要求。

圖19高低溫探頭在高低溫下的頻響

五、探頭及附件準(zhǔn)確度驗(yàn)證
下圖是一個(gè)例子：被測(cè)信號(hào)是一個(gè)頻率456MHz，邊沿時(shí)間約65ps的時(shí)鐘信號(hào)，分別使用不同類(lèi)型的探頭和探頭附件的測(cè)試結(jié)果。
A圖是使用12GHz的1169A差分探頭和N5381A 12GHz焊接探頭附件的測(cè)試結(jié)果，幾乎完全復(fù)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)；
B圖是使用500MHz的無(wú)源探頭的測(cè)試結(jié)果，顯示的信號(hào)完全失真；
C圖是使用12GHz的1169A差分探頭和較長(zhǎng)的測(cè)試引線的測(cè)試結(jié)果，顯示的信號(hào)出現(xiàn)很大的過(guò)沖；
D圖是使用4GHz的1158A單端探頭和較長(zhǎng)的測(cè)試引線的測(cè)試結(jié)果，顯示的信號(hào)幾乎是正弦波，失真較大。

圖20不同探頭附件測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從圖中可見(jiàn)探頭和探頭附件對(duì)測(cè)試精確度的影響是非常大的，是我們測(cè)試高速信號(hào)應(yīng)該重點(diǎn)注意的內(nèi)容之一。那我們應(yīng)該如何驗(yàn)證探頭和探頭附件呢？
驗(yàn)證探頭和探頭附件需要使用一臺(tái)脈沖碼型發(fā)生器（如:81134A，3.35GHz速率，60ps邊沿的脈沖碼型發(fā)生器），如果示波器自帶高速信號(hào)輸出功能，也可以使用示波器的這個(gè)輔助輸出口代替脈沖碼型發(fā)生器（如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以發(fā)一個(gè)高速時(shí)鐘：456MHz頻率，約65ps邊沿）。另外，需要同軸電纜和測(cè)試夾具（Infiniium示波器配置的探頭校準(zhǔn)夾具可以作為探頭和探頭附件驗(yàn)證測(cè)試夾具）。測(cè)試夾具的外表是地(Ground)，里面走線是信號(hào)(Signal)，如下圖所示。使用時(shí)，通過(guò)同軸電纜把一端接到脈沖碼型發(fā)生器或示波器的輔助輸出AUX OUT端口，另外一端通過(guò)適配器連接到示波器的通道1上。

圖21探頭驗(yàn)證夾具

然后把被驗(yàn)證的探頭連接到通道2上，探頭通過(guò)探頭附件可以接觸到測(cè)試夾具的信號(hào)和地（如果是差分探頭，那么把+端連接到測(cè)試夾具的信號(hào)線，把-端連接到測(cè)試夾具的地上）。
1、如果探頭不接觸信號(hào)線，則屏幕上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)原始波形，存為參考波形；
2、當(dāng)用探頭探測(cè)信號(hào)線時(shí)，通道1的波形會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)變化后的波形就是被探頭和探頭附件影響后的被測(cè)信號(hào)；
3、這時(shí)，連接探頭的通道2會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波形，這個(gè)波形是探頭測(cè)試到的波形；
4、通過(guò)對(duì)比參考波形，通道1的波形，和連接探頭的通道2的波形，就可以直觀的看出或通過(guò)測(cè)試參數(shù)讀出三者的差別，可以驗(yàn)證探頭和探頭附件的影響。

圖22探頭驗(yàn)證連接和原理

下圖是實(shí)際驗(yàn)證的一個(gè)例子，圖A把示波器的AUX OUT通過(guò)同軸電纜連接到測(cè)試夾具，測(cè)試夾具的另一端通過(guò)SMA-PBNC適配器連接到示波器的一個(gè)通道上（此例連接到通道3），把探頭連接到通道1上，此時(shí)調(diào)整屏幕上的波形，使得出現(xiàn)一個(gè)邊沿階躍波形，如圖C所示，并把此波形存為參考波形。如圖B把被驗(yàn)證探頭和附件點(diǎn)測(cè)到測(cè)試夾具上，如圖D所示，屏幕上出現(xiàn)3個(gè)波形，蘭色的是參考波形，綠色的是受探頭影響后的被測(cè)波形，黃色的是探頭顯示的波形，通過(guò)測(cè)試上升時(shí)間參數(shù)，過(guò)沖參數(shù)等，可確認(rèn)探頭和探頭附件的性能。