【转载】示波器探头知识总结

天狼晓月

原文作者：数电menmenchaig

示波器被誉为“电子工程师的眼睛”，作为示波器不可缺少的组成部分，示波器探头的参数直接影响到测试结果的准确性及正确性，因此，能否正确选取合适的示波器探头直接关系到测试工作的成败，作为一名电子工程师，我们必须知道各种示波器探头的特点、原理及适用场合。

    示波器探头的种类有很多，大体上可以分为电压、电流、逻辑等几大类，如下图所示：


      ♦电压探头

    理想中的电压探头没有负载效应，不会对测量造成任何影响，同时对信号没有任何失真。理想探头具备如下特征：

        1).输入电阻无限大；

        2).输入电容为0；

        3).带宽无限大；

        4).动态范围无限大；

        5).1:1衰减；

        6).无延迟；

        7).无相位偏移；

        8).机械结构适合测量应用。

    在实际中，这种理想探头是不存在的。为了说明探头对测量的影响，我们可以把探头模型简单等效为一个R、L、C电路，把这个模型与被测电路放在一起，如下图所示：


     如上图所示，Rprobe是探头的输入电阻，为了尽可能减少探头对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe越大越好，但是Rprobe是不可能做到无穷大的，所以就会和被测电路产生分压，使得实测电压比实际电压小。为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探头的输入阻抗在几十K欧姆到几十兆欧姆之间。

         Cprobe是探头本身的输入电容。这个电容不是刻意做进去的，而是探头的寄生电容。这个寄生电容也是影响探头带宽的最重要因素，因为这个电容会衰减高频成分，把信号的上升沿变缓。通常高带宽的探头寄生电容都比较小。理想情况下Cprobe 应该为0，但是实际做不到。一般无源探头的输入电容在10pf 至几百pf 间，带宽高些的有源探头输入电容一般在0.2pf 至几pf 间。

        Lprobe是探头导线的寄生电感，通常 1mm 探头的地线会有大约 1nH 的电感，信号和地线越长，电感值越大。探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路，当电感值太大时，在输入信号的激励下就有可能产生高频谐振，造成信号的失真。所以高频测试时需要严格控制信号和地线的长度，否则很容易产生振铃。

    在使用示波器时，需要对示波器测量通道的耦合方式和输入阻抗进行设置，耦合方式有AC和DC两种，输入阻抗有1MΩ和50Ω两种。示波器的探头种类很多，但是示波器的的匹配永远只有1M 欧姆或50欧姆两种选择，不同种类的探头需要不同的电阻与之匹配。示波器输入接口的电路示意图如下图所示：


     测量普通信号时一般用DC耦合方式，测试电源的纹波/噪声时需要使用AC耦合方式，示波器接有源探头时，输入阻抗会自动切换到50Ω档位，接无源探头时需要手动切换到1MΩ档位。

    从电压测量的角度来说，为了减小对被测电路的影响，示波器应采用1MΩ的高输入阻抗，但是由于高阻抗电路的带宽很容易受到寄生电容的影响。所以 1MΩ的输入阻抗广泛应用于 500M 带宽以下的测量。对于更高频率的测量，通常采用50Ω的传输线，所以示波器50欧姆匹配主要用于高频测量。

    为了更好的说明示波器输入阻抗及寄生电容对测量通道带宽的影响，我们将电路图从时域转换到频域，如下图所示：


     如上图所示，示波器输入通道寄生电容的等效阻抗为1/(2πfc)，在低频情况下，1/(2πfc)的值非常大，无电流通过C，示波器的输入阻抗等于R的值，但是，随着信号频率的提高，寄生电容的等效阻抗1/(2πfc)越来越小，所以，在高频信号下，寄生电容对示波器的输入阻抗影响非常大，此时示波器的输入阻抗为R//[1/(2πfc)]。为了降低寄生电容在高频信号下对示波器的输入阻抗的影响，所以在测试高频信号时，示波器的输入阻抗都设置为50Ω。

上边已经对示波器探头做了一个整体介绍，下面将重点介绍示波器探头家族中的无源电压探头。

         示波器探头按是否需要供电可以分为无源探头和有源探头，所谓的无源探头，是指整个探头都由无源器件构成，包括电阻、电容和电缆等；而有源探头内部一般有放大器，由于放大器工作时是需要外部供电的，所以叫有源探头。

    无源探头根据输入阻抗的大小又分为高阻无源探头和低阻无源探头两种。我们通常所说的无源探头其实就是指高阻无源探头。高阻探头和示波器相连时，要求示波器端的输入阻抗是1M欧姆。高阻无源探头又可分为1X和10X两种：


     上图为1X高阻无源探头的等效电路图，1X无源探头本身无输入阻抗，对测试信号没有衰减，示波器采样到的电压就是被测信号的实际电压，因此不像10X探头那样需要示波器对采样信号放大后再显示，因而示波器本身的噪声没有放大，测量的噪声会小很多，非常适合小信号和电源纹波噪声的测量应用。但是1X探头的输入电容太大，带宽低，信号反射严重。


     前面讲了1X探头没有匹配(探头线缆为50Ω特征阻抗，跟示波器的1MΩ输入阻抗不匹配)，导致信号反射严重，影响了探头的带宽，10X探头(上图)为了改善高频特性，在探头前端增加了匹配电路，最典型的就是RC并联结构，即上图中的C1和R1。图中的R2是示波器的输入阻抗，C2是示波器的寄生电容。探头要在带内产生平坦增益的一个条件是要满足R1*C1=R2*C2。由于示波器的寄生电容C2只能控制在一定范围内，无法精确控制，所以不同的示波器以及示波器不同通道间的寄生电容都不太一样，为了补偿不同通道寄生电容的不同，在探头接示波器的那一端有一个可调电容C3(可以用螺丝刀来调整C3的值)。通过调整C3的值来补偿不同通道上的寄生电容差异。几乎所有示波器都提供一个低频方波输出，可以用来校准探头。

    每次测量前，都需要对示波器探头进行校准，校准方法为：用示波器探头测量示波器自带的低频方波输出，通过示波器屏幕观察信号，用螺丝刀转动探头上的可调电容到最佳补偿状态，如下图所示：


         10X高阻无源探头的输入阻抗为9MΩ,示波器内部的输入阻抗为1MΩ，总输入阻抗为10MΩ(10X无源探头上标识的输入阻抗为10MΩ,其实是包含了1MΩ的示波器输入阻抗，探头本身的阻抗只有9MΩ)。

    对于10X探头，信号从测试点到示波器器采样点处有一个10倍衰减，示波器采样到的电压幅度是实际被测电压幅度的1/10。采样信号幅值乘以10即是被测信号实际幅度。早期的示波器探头需要手工设置示波器探头衰减倍数，一般有1X和10X两个档位，现在的示波器探头与示波器的连接处有一个自动检测针脚(如下图所示)，示波器可以通过这个针脚来读取探头的衰减系数，并自动调整显示比例。


     高阻无源探头中还有一个特殊的种类，即高压探头，其衰减比可达100:1或1000:1，其测量电压非常大，最大可以测量上千伏电压。

     高阻无源探头成本低，输入阻抗高，测量范围大，广泛应用于通用测试场合。但是随着测试频率的提高，各种二阶寄生参数很难控制，仅仅依靠简单的匹配电路已经不能把带宽再提高了，所以高阻无源探头的带宽一般在600MHz一下，再高就需要使用有源探头了或低阻无源探头了。

    低阻无源探头是最不常用的一种探头，但有其自身特点，下图为10X低阻无源探头原理框图：


     低阻无源探头要求示波器的输入阻抗为50Ω，以便与探头的50Ω传输电缆匹配，减小反射，低阻无源探头的带宽很高，如Agilent的53006A探头带宽可达6GHz。

    但是由于此类探头的输入阻抗低，测试中并联在电路里可能会对被测信号产生一定的影响，特别是高输出阻抗电路，影响就更明显，因此低阻抗无源探头的应用不是特别广泛。