示波器那些事儿--之探头

※什么是探头？

示波器探头就是把信号源连接到示波器输入上的某类设备或网络。根据测量需求，这一连接可能会非常简单，如一条长一点的导线；也可能非常复杂，如使用有源差分探头。

但无论怎样，在处理示波器探头的实际特点时，重要的一点是记住探头就是传感器。大多数示波器探头是电压传感器，也就是说探头传感和探测电压信号，把电压信号传送到示波器输入。

※探头的重要性

探头对示波器测量至关重要，在被测信号和示波器的输入通道之间必须有某类电子连接，也就是某类探头。

另外，探头对测量质量也非常关键，把探头连接到电路上可能会影响电路操作，示波器只能显示和测量探头传送到示波器输入上的信号。因此对所探测的电路影响必须达到最小，并对希望的测量保持足够的信号保真度。如果探头不能保持信号保真度，如果它以任何方式改变信号或改变电路的运行方式，示波器会看到实际信号的失真结果，进而会导致错误的测量结果或误导性的测量结果。

※理想的探头与实际的探头

在理想的情况下，探头应该具备：

●连接容易、方便：建立到测试点的物理连接是探测的关键要求之一，理想的探头应能够容易、方便的进行物理连接。对微型电路，如高密度表面封装技术（SMT），通过微型探头头部及为SMT设备设计的各种探头尖端适配器可以提高连接的容易性和方便性；在电力应用中，则要求使用具有更高安全余量、在物理上更大的探头，例如高压探头、夹子式电流探头等。从这些物理连接实例中，可以看出并没有一种理想的探头规格和配置可以适用于所有应用，正因为如此，会有各种探头规格和配置的出现，以满足各种应用的物理连接要求。

●绝对的信号保真度：理想的探头应以绝对的信号保真度，把任何信号从探头尖端传送到示波器输入上，换句话说，探头尖端上发生的信号应逼真的复现在示波器输入上。为实现绝对的保真度，从探头尖端到示波器输入的探头电路必须拥有零衰减、无穷大的带宽及在所有频率中实现线性相位。这些理想要求在实践中不仅是不可能实现的，也是不可行的。

●零信号源负荷：测试点后面的电路可以视作一种信号源模型，连接到测试点的任何外部设备，如探头，都会在测试点后面的信号源上表现为额外的负荷。在从电路（信号源）吸收信号电流时，外部设备作为负荷操作。这一负荷或吸收的信号电流会改变测试点后面的电路，进而改变测试点上看到的信号。理想的探头导致的信号源负荷为零，换句话说，它不会从信号源吸收任何信号电流，这意味着为使吸收的电流为零，探头必须具有无穷大的阻抗，从而在本质上对测试点表示为开路。但在实践中，零信号源负荷的探头是不能实现的，这是因为探头必须吸收少量的信号电流，以在示波器输入上形成信号电压。

●全面抗噪声能力：荧光灯和风扇马达是我们的周围环境中存在的的众多电子噪声的两种来源，这些噪声源会在附近的电气电缆和电路上引起噪声，进而导致在信号中增加噪声。由于容易受到感应噪声的影响，一段简单的导线是示波器探头的次优选择。理想的示波器探头要能够全面抗击所有噪声源，在实践中，使用屏蔽可以使探头对大多数常用信号电平实现高级抗噪声能力。

上面讨论的理想的探头提到了多种实际情况，使得实际探头并不能达到理想水平。首先必须认识到，即使探头只是一段简单的导线，但探头仍可能是一条非常复杂的电路。对直流信号时，探头表现为一段简单的导线，其带有一定的串联电阻和端接电阻；但是对于交流信号，因为任何一段导线都有分布式电感、任何线对都有分布式电容，这些电抗单元（L\C）和电阻单元（R）的交互会产生随着信号频率变化的总探头阻抗。通过采用良好的探头设计，，可以控制探头的电阻、电感和电容单元，在指定的频率范围上提供希望的信号保真度、衰减和信号源负荷。

※探头的选择注意事项

探头的选择应考虑：

●带宽和上升时间的限制

          带宽是示波器或探头设计使用的频率范围。例如，100MHz探头或示波器是为在高达100MHz的所有频率上进行测量而设计的。在超过指定带宽时，可能会发生不希望或不能预测的测量结果。一般来说，为准确的进行幅度测量，示波器的带宽应比被测的波形频率高5倍，这种“5倍规则”保证了非正弦曲线波形中的高频成份提供足够的带宽，如方波。与此类似，示波器必须为测量的波形提供充足的上升时间，为在测量脉冲上升、下降时间时实现合理的精度，探头和示波器的上升时间应该比被测脉冲快3～5倍。

●动态范围的限制

所有探头都有不应超过的高压安全极限。对于无源探头，这一极限可以从几百伏到几千伏。而对于有源探头，最大安全极限电压则通常在几十伏范围内。为避免危及人身安全及可能损坏探头，最好了解被测的电压及使用探头的电压极限。

除安全考虑因素之外，还要在实践中考虑测量的动态范围。示波器具有灵敏度范围，典型的灵敏度范围一般是1mV～10V/格，在八格显示器上，这意味着可以在4mV～40V的信号上合理的进行测量。在1X探头中，探头动态范围与示波器相同，即信号测量范围是4mV～40V。如果需要测量40V以上的信号就需要通过使用衰减器的探头，例如采用10X探头就可以把示波器动态范围提高到40mV～400V。

最通用的是首选10X探头，这是因为高端的电压范围及其导致的信号源负荷较少，如果打算测量比较宽的电压范围，也可以考虑选用1X/10X可切换式探头，通过切换可实现4mV～400V的动态范围。

●信号源负荷

探头必须吸收部分信号电流，以在示波器输入上形成信号电压，这就会导致在测试点上带来了负荷，可能会改变电路或信号源传送到测试点上的信号。

1X探头一般有1MΩ的电阻，10X探头一般有10MΩ的电阻，在大多数情况下这些值几乎不会导致电阻负荷。通常情况下，最担心的负荷是探头尖端上的电容导致的负荷，对于低频，这一电容具有非常高的阻抗，影响几乎没有，但随着频率的提高，电容电抗会降低，其结果是负荷会在高频上提高。这种电容负荷影响着测量系统的带宽和上升时间，通过选择尖端电容值低的探头，可以使电容负荷达到最小。

●探头的地线

由于地线是一条导线，因此，它有一定的分布式电感。这一电感和探头电容相互影响，在L和C值确定的某个频率上会导致振铃，这个振铃是不可避免的，但通过设计探头接地，可以降低振铃的影响。为避免接地问题，应一直使用随探头一起提供的最短的地线，代以其它方式的接地可能会导致被测脉冲上出现振铃。

※探头补偿

大多数探头是为与特定型号的示波器输入而设计的，但是在示波器之间，甚至是同一台示波器不同的输入通道之间也会略有差异。为在必要时处理这一差异，许多探头特别是衰减探头都带有内置补偿网络。

没有补偿的探头，可能会导致各种测量误差，特别是在测量脉冲上升时间和下降时间时尤为明显，为避免这些误差，应在把探头连接到示波器后立即补偿探头，并经常检查探头补偿结果。