輕松選擇替代示波器探頭

在我的職業(yè)生涯早期，我曾管理一個(gè)測(cè)試部門，我們有 22 名工程師和技術(shù)人員，以及約 35 臺(tái)示波器。示波器中最常見的故障是探頭缺陷。損壞的探針、斷續(xù)連接的連接器、破損的電纜——示波器探頭可能會(huì)出現(xiàn)沒完沒了的故障。所以，我們一年大概會(huì)換掉三十幾個(gè)探頭。

在尋找替代探頭時(shí)，除了了解探頭工作原理及其規(guī)格外，并沒有什么秘訣。幾乎所有示波器的每個(gè)通道都配有一個(gè)無源探頭，因此探頭是非常常見的測(cè)試配件。雖然無源探頭經(jīng)歷了八十年的技術(shù)發(fā)展，但基本概念仍然很簡單。如圖 1 所示，10:1 無源探頭基本上是一個(gè)補(bǔ)償衰減器，用于連接到示波器的 1 MΩ 輸入端接。示波器的 1 MΩ 輸入可以建模為帶并聯(lián)小電容的 1 MΩ 電阻器。

圖 1：10:1 高阻抗無源探頭電路模型，探頭可連接到示波器的 1 MΩ 輸入。（圖片來源：Art Pini）

通過將一個(gè) 9 MΩ 電阻器與示波器輸入端（圖 1 中的 RIN）串聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn) 10:1 衰減。這種組合將使探頭輸入端的低頻信號(hào)在示波器輸入端衰減 10 倍。對(duì)于更高頻率的信號(hào)，示波器輸入的分路電容 （Cin） 與同軸電纜的電容一起用作輸入信號(hào)的低通濾波器。

若要實(shí)現(xiàn)平坦的頻率響應(yīng)，則需要進(jìn)行均衡。若增加一個(gè)拐點(diǎn)頻率與低通濾波器相同的串聯(lián)高通濾波器，則可以使探頭-示波器組合的頻率響應(yīng)變得平坦。這是通過使時(shí)間常數(shù) RIN x CIN 等于 Ro x （CSCOPE in+CCABLE+C COMP） 的時(shí)間常數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。由于示波器的輸入電容變化很小，所以增加了可變電容 CCOMP 來調(diào)整低通元器件的時(shí)間常數(shù)。根據(jù)每個(gè)示波器手冊(cè)中的說明，可對(duì)該電容器進(jìn)行調(diào)整以設(shè)置低頻補(bǔ)償。

我們來看一個(gè)尋找替代探頭的例子。假設(shè)我們要為 Teledyne LeCroy HDO4104A 1 GHz 四通道示波器尋找替代探頭。此示波器通常隨附四個(gè) PP018 500 MHz 探頭。我們需要有關(guān)示波器的一項(xiàng)信息是輸入電容 CSCOPE in，可在規(guī)格書中找到。規(guī)格書列出的輸入電容為 16 pF；如果沒有明確列出，可以假設(shè)公差為 ±20%。

首先在 Digi-Key 網(wǎng)站上搜索示波器探頭。搜索結(jié)果之一如圖 2 所示，為“測(cè)試引線 - 示波器探頭”頁面。

圖 2：通過 Digi-Key 網(wǎng)站的“測(cè)試引線 - 示波器探頭”頁面突出顯示搜索條件：無源探頭、10:1 衰減、500 MHz 帶寬和 10 MΩ 的探頭輸入電阻。（圖片來源：Art Pini）

搜索得到 16 種產(chǎn)品，如圖 3 所示。

圖 3：搜索結(jié)果列出了 16 種探頭，前 8 種有庫存。其中一個(gè)選擇是完全相同的替代品 PP018，但也有來自其他制造商的合適探頭。（圖片來源：Art Pini）

在前 8 個(gè)搜索結(jié)果中，有 6 個(gè)是 Teledyne LeCroy 探頭，包括隨示波器提供的 PP018 探頭。此外，還有其他兩家制造商的探頭：Cal Test Electronics 的 CT4203 和 Carlisle Interconnect Technologies 的 P500-010。通常來說，最好是評(píng)估其他選項(xiàng)。

通過查閱每個(gè)探頭的規(guī)格書，我們可以比較表 1 所示的關(guān)鍵規(guī)格。

表 1：使用八個(gè)關(guān)鍵探頭規(guī)格，比較來自三個(gè)不同制造商的探頭產(chǎn)品。（表來源：Art Pini）

這三個(gè)探頭都高度匹配。之前沒有提到的一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格是補(bǔ)償范圍。這是探頭可以匹配的示波器輸入電容范圍。由于示波器的輸入電容為 16 pF ±20%，因此所有這些探頭都能匹配。

第二個(gè)問題是探頭尖頭的直徑。較小的 2.5 mm 直徑有更緊密的探頭間距，而不會(huì)產(chǎn)生物理干擾。較大的 5 mm 探頭尖頭更堅(jiān)固，不易破損。這種工程決策只能由用戶來決定。

總結(jié)

雖然工程師知道需要小心使用示波器探頭，因?yàn)椴⒎撬袚p壞都可以立即看到，但有時(shí)即使小心翼翼使用，探頭也會(huì)出現(xiàn)故障。不巧的是，這種情況通常會(huì)出現(xiàn)在最重要的測(cè)試中。

如上所示，使用 Digi-Key 的產(chǎn)品搜索引擎和提供的基本選擇指南，獲得替代品變得更加輕松。除了探頭尖頭直徑外，此處選擇的三個(gè)探頭主要區(qū)別在于成本——這是最終的工程決策。