示波器探头基础系列之五——示波器探头使用指南（上）

本文旨在帮助读者对常用的示波器探头建立一个基本认识。此外，我们通过一系列的例子说明探头的不正确使用如何影响测量的结果。

理解探测问题

注意!连接示波器和待测物会给被测波形带来失真。

示波器上应该贴上上面类似的警告标签吗？或许是的。示波器同其它测量仪器一样，受制于各种测量问题——显然，示波器和待测物的连接会影响到测量，使用者理解这样的影响是非常重要的。随着示波器技术的发展，连接示波器和待测物的工具和技术已经变得非常成熟。

早期的示波器，测量带宽只有几百KHz数量级，常使用电缆连接电路。现代示波器使用各种连接技术以最小化测量误差。使用者应该熟悉示波器本身以及示波器连接电路的各种方法的特性和限制。

考虑示波器连接待测电路的方式如何影响测量，待测电路可以等效为包含内置电阻和电容的戴维宁等效电压源。同样，示波器输入电路和连接部分可以被等效为负载电阻和旁路电容。该模型如图1所示。当示波器连接信号源时，示波器的负载效应会减小测量到的电压。低频的损耗取决于电阻比率Rs和Ro。对于高频时的损耗，Cs和Co成了主要因素。另外一个影响是系统带宽由于示波器的容性负载而变小，这也会影响到动态时间量的测量，如脉冲上升时间Risetime。

图1  包括信号源和示波器的简单测量模型

示波器的设计者需要从两个方面入手来减少负载效应的影响:

• 高阻探头，利用有源和无源电路来减少负载效应，这些电路包括补偿衰减器或者低容值场效应晶体管缓冲放大器。
• 对于高频应用的直接连接，示波器的输入电路采用50ohm的内部端接。在这些场合，示波器输入电路被设计成常数的50ohm负载阻抗。低电容的探头被设计为50ohm端接来减少负载效应。

如何选择合适的探头

通常，探头可以被分成三大类。1、无源高阻探头；2、无源低阻探头；3、有源探头。

针对特定应用选择特定探头，这些探头的优点和缺点都需要被仔细考虑。表1给出了三种探头以及它们适合的频响范围和输入电压。

           表1 探头类型，以及它们适合的频响范围和输入电压。

不幸的是，工程师仅仅知道探头的主要电气特性（频率范围和最大输入电压），还不足以针对特定应用选择正确的探头。实际上，其它的探头特性（如等效电容、阻抗以及带宽）都对探头的整体特性产生极大的影响。例如，探头的等效阻抗是其输入频率的函数。图2揭示了探头的这种效应。

图2  探头等效阻抗是输入频率的函数。探头的动态特性使它们适合于不同的应用。表2给出了不同类型的信号及相适应的典型探头

高阻探头

1. 概述

高阻（Hi-Z）探头是常用的示波器探头。它具有10：1 （X10）和100：1（X100）的衰减系数和350MHz的带宽。

表2 常用的探头类型以及其应用

必须指出，对于带宽为350MHz的高阻探头，其信号的输入频率一般小于50MHz。由于负载电容效应，这些探头表现出糟糕的高频特性。如图3所示，考虑典型的X10探头。

图3：典型的X10，高阻探头

300MHz带宽示波器的输入阻抗包含1Mohm的电阻和15pF的并联电容。使用同轴电缆和X1探头直接连接示波器和待测电路意味着增加了额外的容性负载。对于同轴电缆，约50pF/m.输入的总电容为65pF。示波器的输入阻抗以R2和C2表示。示波器和电缆的电容以C2表示。高阻抗探头串连一个大电阻R1隔离示波器和待测电路。R1和R2组成了一个分压电路。示波器的输入电阻为1Mohm，对于X10 probe，R1为9Mohm, 对于X100 probe, R1为99Mohm。C1为可调电容，调节C1的值，使R1C1的乘积等于R2C2。通过补偿探头，使得探头在所有频率都有相同的衰减值。因此，在使用高阻无源探头前，需要利用1kHz的方波来调节C1，以获得最优的补偿值。典型的X10探头的输入阻抗具有10M的电阻和15pF的并联电容。15pF电容部分的来源于C1和C2，部分的来源与探头针到地的寄生电容Ctrip。

    如前所述，高阻探头适用于信号频率低于50MHz的场合。这些探头相对便宜，因为它们只使用无源器件。另外，他们有非常宽的动态范围。其最小电压幅度取决于探头的衰减因子和示波器的垂直灵敏度。衰减因子为高电压输入信号提供了便利，如10：1衰减无源探头支持最高600V输入电压。同时，这些探头提供许多种附件，如可变长度电缆选件、各种探头前端、适配器、连接地线。

2. 高阻探头如何影响测量

图4计算带宽和上升时间的测量系统

    当示波器被用来测量电路或器件，需要估计测量仪器如何影响待测电路。大多数情况下，可以建立示波器的输入模型（包括探头），并量化负载效应和信号偏差。测试人员关于待测电路的知识加上示波器厂家提供的仪器和探头的规格书，可以建立整个测试系统的模型。考虑测试系统的简化模型，如图4所示。示波器和高阻探头被简化为等效并联RC电路。同样的，待测电路可以被简化为戴维宁等效模型。如果待测电路的源电阻，Rs，约为50Ohm,当使用传统的10：1高阻探头，则有理由忽略探头10MOhm电阻，Ro。这样，系统的等效电路包含有串连电阻，Rs，和并联电容（该电容的值可认为是源电容Cs和探头输入电容Co之和。从这个简单的模型中，我们可以估计示波器对信号上升时间的影响。由电路分析知识可知，RC电路对应阶跃输入的响应，其上升时间Tr有如下公式:

如下例子提供了一些典型的参数值，可以很好的解释适用高阻探头对测量结果带来的影响。

如：Rs=50Ohm， Cs=9pF，Co=15pF

则信号源的上升时间Trs为：

1. （50）（9 10-12）=1ns

信号源和整个系统的上升时间tros为：

• （50）（24 10-12）=2.6ns

由于探头带来的额外的电容效应，使得系统的上升时间增加了160% 。额外的电容效应同样也会使负载增加，尤其在高频时候。负载阻抗的容性部分与频率成反比，如下面公式所示：

在这里，容性阻抗Xc（单位Ohm）同频率f（单位Hertz） 和电容C（单位Farads）的积成反比。利用之前的例子做一个简单计算可知，当频率为100KMHz时候，24pf电容

将增加的负载阻抗为:

显然，当频率高于数千赫兹，容性负载成为主要因素。探头10MOhm的输入阻抗只是工作在直流时的阻抗。基于以上两个例子的讨论可以知道，花力气降低示波器探头的输入电容是非常有必要的。[page]

    带宽是评估探头如何影响待测电路的另一个方面，RC电路实际上可以简化为一个低通滤波器，其带宽定义为输出电压降到输入电压的0.707时候的频率。如下关系式用来

计算RC电路的带宽BW。

445. 电路的另一关于带宽和上升时间的经典关系式为:

在多级级联测量中，关于每级上升时间的知识可用来计算系统上升时间。系统上升时间是各级上升时间的平方和的均方根。例如，信号的上升时间显示在示波器屏幕上，即测量到的上升时间，包括实际信号的上升时间和测试系统的上升时间。这样知道信号测量的上升时间tmeas和系统上升时间tsys，可以利用如下公式来计算信号的实际上升时间tsig：

使用探头前端大于250MHz的10：1探头测量一个脉冲的上升沿，其目的是要估计实际

信号的上升沿。上升时间的测量值如图5所示：

图5 上升时间的测量值

• :
  
  

利用上述这些公式，很容易评估高阻探头的动态特性。但这些公式仅限于探头行为的一阶效应，对于探头行为的二阶效应例如接地引线的电感效应等，将在下一章讨论。

低电容探头

1. 概述

另一种无源探头是低电容探头或者低阻探头。这些探头被设计成10：1的衰减到示波器的50Ohm输入终端。与高阻探头利用补偿电容提供平坦的频率响应不同，低电容探头使用传输线技术获得很宽的带宽。一个典型的低电容探头如图6所示。

图6 典型的低电容探头

示波器的输入电阻R2提供匹配端接给低损同轴电缆。理想情况下，端接电缆为50Ohm，为R1的纯电阻负载。串联电阻决定探头的输入电阻和衰减因子。例如，10：1，500Ohm探头，其值应该为450Ohm。低阻探头可以达到8GHz的带宽，上升时间为50ps，输入电容为0.5pF。由于这些探头已经做了针对高频应用的优化，因此不提供额外探头尖端和地连接的选择。低电容探头被用于在50Ohm负载阻抗电路中的宽带宽和快沿信号测量。对于这些应用，低阻探头提供很好的频率限于和相对低的价格。低阻探头另外一个优点是其不需要提供额外的补偿去匹配示波器的输入。

2. 低电容探头如何影响测量

典型的低电容探头具有10：1的衰减、1pF的输入电容和500Ohm的电阻。相对低的输入电阻使得这些探头局限于应用于具有50Ohm阻抗的电路。如下图所示：

图7 TT逻辑门电路驱动传输线的情况

图7表示TTL逻辑门电路驱动传输线的情况。传输线具有120Ohm的特性阻抗，一个电阻分压网络提供大约3.5V的偏置电压给该逻辑门。之所以要使用这样的端接是因为高电平时TTL只能输出几毫安的电流，偏置电压可以增强抗噪能力。如果一个500Ohm，10：1的探头在接收端测量这样的信号，会使得端接电阻变为98Ohm，从而使偏置电压变为2.7V。只有在不会改变待测电路端接特性的场合才适合低电容探头。表3将输出电压和

误差作为探头输入电阻的函数。

表3 输出电压和误差作为探头输入电阻的函数

传输线端接一个等于其特性阻抗的电阻叫做匹配。如果传输线没有很好的匹配将会造成信号失真。如果是连续信号，其电压或电流会形成驻波。如果为脉冲信号，会引起信号反射，反射的幅度和时间性取决于失配的程度。传输信号和反射信号引起了波形的严重失真。图8给出了观察信号由于反射引起失真的试验步骤。

图8 信号由于反射引起失真

图8 的测试连接显示，端接电阻RO控制反射信号的幅度和极性，信号源产生1MHz方波，信号源的阻抗Zs用来匹配传输线的特性阻抗。使用50Ohm、10：1探头来连接测试点。

图9 良好端接的波形

图9显示了端接良好的波形，当传输线没有被很好的匹配其特性阻抗。对于阶跃信号或者脉冲波形，将会产生反射。反射波的幅度和入射波幅度由如下公式给出：

式中R0表示端接电阻、Z0表示传输线的特性阻抗，T表示发射系数。在下面例子中，

1. 分别为0、u、75ohm。发射系数分别为-1、+1和+1/3。

图10 短路造成的反射

短路时的反射系数为-1，阶跃信号波形的幅度为+1.8V，其发射波形为-1.8V。时间取决于线缆长度。以RG58为例，其传输延迟大约为1.5ns/foot。入射波和反射波的延迟为12ns。这点可以在被测波形上看到，原来的方波信号由于反射信号的影响，形成了一个负的窄脉冲叠加在原来的波形上。

图11 75Ohm造成的反射

开路端接造成的反射波具有相同幅度和极性，反射波叠加了二个、延迟的跳变波形。

图12 开路造成的反射

认识到不好的端接匹配将带来波形失真很重要，低电容探头使用传输线的特性来减小输入电容，必须工作在特定的负载阻抗（典型值为50Ohm），并且也必须配合具有很好的50ohm端接的高带宽示波器一起使用。