在選擇和使用示波器探頭中最容易忽略的幾點(diǎn)問題

在選擇和使用示波器探頭中最容易忽略的幾點(diǎn)問題：

第 1 個(gè)錯(cuò)誤：不了解示波器探頭的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

第 2 個(gè)錯(cuò)誤：選擇的探頭帶寬不合適

第 3 個(gè)錯(cuò)誤：沒有考慮探頭負(fù)載效應(yīng)

第 4 個(gè)錯(cuò)誤：不確定應(yīng)該選擇有源探頭還是無(wú)源探頭

第 5 個(gè)錯(cuò)誤：忘了考慮連接帶寬和負(fù)載效應(yīng)

第 6 個(gè)錯(cuò)誤：低估了衰減比

第 1 個(gè)錯(cuò)誤，不了解關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：

如果您不知道應(yīng)該關(guān)注示波器探頭的哪些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，那么就不可能確定自己的需求。技術(shù)資料通常包含大量數(shù)字列表。哪些才是您需要關(guān)注的?

人們最熟悉的技術(shù)指標(biāo)就是帶寬。探頭的帶寬范圍從直流一直到大約 30 GHz。對(duì)帶寬的一個(gè)常見誤解是以為帶寬越大，可以看到的數(shù)據(jù)就越多。但事實(shí)并非總是如此。隨著帶寬的增加，許多關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都會(huì)發(fā)生變化，它們也是需要考慮的重要因素。

圖 1. 不斷提高的帶寬如何影響其他關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

噪聲在各個(gè)頻率之間均勻分布。這意味著探頭帶寬越高，引入的頻率越多，進(jìn)入信號(hào)的噪聲也越多。為了防止發(fā)生這種情況，您應(yīng)該根據(jù)下一節(jié)中介紹的計(jì)算方法，只使用需要的帶寬。而且，還需要借助更專業(yè)化的探頭來(lái)測(cè)量更高頻率。當(dāng)然，這需要加大開發(fā)力度，才能為敏感元件創(chuàng)造出如此專業(yè)化但成本較高的產(chǎn)品。使用帶寬超過需求的探頭可能會(huì)帶來(lái)額外的成本、工作量和噪聲，這些要素可能會(huì)大大地影響您的測(cè)量結(jié)果。

各類探頭都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，對(duì)于您所進(jìn)行的特定測(cè)試，您需要選擇更合適的探頭。充分理解關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，理解其對(duì)您的意義，將使探頭選型變得更加容易。我們認(rèn)為，與其查看技術(shù)資料中那些冗長(zhǎng)的技術(shù)指標(biāo)列表，不如研究文檔其余部分更重要。

第 2 個(gè)錯(cuò)誤：選擇的探頭帶寬不合適

如果使用的探頭帶寬不正確，那么您可能會(huì)遺失信號(hào)細(xì)節(jié)，或者為系統(tǒng)引入不必要的噪聲。為了加深理解，我們先來(lái)討論帶寬的意義。探頭帶寬本質(zhì)上就是 3 dB 點(diǎn)。3 dB 點(diǎn)是指探頭輸出相對(duì)于標(biāo)稱響應(yīng)減少 3 dB 時(shí)的頻率。

圖 2. 3 dB 點(diǎn)的顯示結(jié)果。

假設(shè)用 1:1 探頭測(cè)量 1 Vpp 的低頻正弦波。由于您使用的是 1:1 探頭，因此進(jìn)入示波器的探頭輸出將等于設(shè)備輸入探頭的實(shí)際信號(hào)。但是，如果繼續(xù)增加此 1 Vpp 信號(hào)的頻率，那么最終您將到達(dá)一個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)上探頭輸出遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入探頭的實(shí)際信號(hào)。當(dāng)您看到示波器屏幕上的輸出相對(duì)于 1 Vpp 輸入降為 0.7 Vpp 時(shí)，那么就表示您到達(dá)了 3 dB 點(diǎn)，因?yàn)橄鄬?duì)于其標(biāo)稱響應(yīng)，輸出減少了 3 dB。

圖 3. 隨著頻率增加出現(xiàn) 3 dB 點(diǎn)的示例。

現(xiàn)在您已經(jīng)了解了 3 dB 點(diǎn)理論，您可以利用它來(lái)改善測(cè)試。選擇適合探頭的第一步是了解信號(hào)的帶寬。要確定信號(hào)帶寬(BW)，可以使用以下簡(jiǎn)單公式：如果我們測(cè)量的是 10% 和 90% 的閾值，則信號(hào)帶寬等于上升時(shí)間除以 0.35。如果測(cè)量的是 20% 和 80% 的閾值，則信號(hào)帶寬等于上升時(shí)間除以 0.22。

計(jì)算完信號(hào)帶寬后，可根據(jù)以下兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)選擇探頭帶寬：

– 探頭帶寬應(yīng)該比模擬應(yīng)用中最快的正弦波頻率高 3 倍

– 探頭帶寬應(yīng)該比數(shù)字應(yīng)用的最高數(shù)字時(shí)鐘速率快 5 倍

根據(jù)這些快速計(jì)算方法，您可以大致確定何種探頭帶寬適合您的應(yīng)用。隨著上升時(shí)間加快，信號(hào)帶寬隨之增加，這意味著您需要帶寬更高的探頭。但請(qǐng)記住，帶寬過高也會(huì)帶來(lái)麻煩。

另一種考慮帶寬的方法是以諧波為基礎(chǔ)。一般而言，探頭帶寬越高，捕捉到的諧波越多，二者都會(huì)使信號(hào)精度稍有提高。如下面圖 5 所示，原始信號(hào)為黃色跡線，一階諧波為綠色跡線。您可以看到，它們具有相同的周期和占空比，但一階諧波的上升沿明顯較慢，并且拐角非常圓滑。藍(lán)色跡線顯示一階和三階諧波，其上升沿較快，角點(diǎn)變得更清晰。但在圖像的底部，我們可以看到一階、三階和五階諧波。其邊沿平緩，拐角銳利，信號(hào)頂部和底部有很多細(xì)節(jié)。帶寬越高，波形將顯露出越多的細(xì)節(jié)。

圖 5. 更高的帶寬意味著更多諧波及更豐富的信號(hào)細(xì)節(jié)。

了解了上面的規(guī)律，我們來(lái)看一個(gè)用 100 MHz 探頭測(cè)量 100 MHz 時(shí)鐘的例子。完成這個(gè)測(cè)量后，您最終將會(huì)在屏幕上看到如圖 6 所示的正弦波。因此，您無(wú)法得到準(zhǔn)確的上升時(shí)間或任何真正的信號(hào)細(xì)節(jié)。這意味著您所做的任何測(cè)量都是不準(zhǔn)確的，毫無(wú)意義。

圖 6. 使用 100 MHz 探頭測(cè)量 100 MHz 時(shí)鐘信號(hào)。

但是，如果使用 500 MHz 探頭測(cè)量相同的 100 MHz 信號(hào)，您就會(huì)有足夠的帶寬來(lái)捕獲更多的諧波，從而得到更精確的信號(hào)表示。

圖 7. 使用 500 MHz 探頭測(cè)量 100 MHz 時(shí)鐘信號(hào)。

由此可見，為您要處理的信號(hào)選擇合適的探頭帶寬是多么重要。但帶寬過高也不好，過猶不及。在確定多大帶寬適合您的應(yīng)用并選擇正確的探頭時(shí)，這些理論和快速計(jì)算方法可以幫助您不犯錯(cuò)誤。

第 3 個(gè)錯(cuò)誤：沒有考慮到探頭負(fù)載效應(yīng)

探頭一旦與示波器連接并與器件接觸，它就成為電路的一部分。問題是，探頭帶給器件的電阻、電容和電感負(fù)載效應(yīng)將影響您在屏幕上看到的信號(hào)。這種負(fù)載效應(yīng)是您需要考慮的重要因素。有時(shí)這種效應(yīng)很小，甚至注意不到，但如果負(fù)載效應(yīng)過大，它所改變的就不僅僅是您在屏幕上看到的內(nèi)容。它還會(huì)影響器件的工作狀態(tài)。顯然，您希望盡可能減少負(fù)載效應(yīng)?？上?，由于這是寄生的負(fù)載效應(yīng)，您將永遠(yuǎn)無(wú)法完全消除它，但對(duì)它了解得越多，就越可能幫助您減少它對(duì)器件的影響。

在圖 8 的基本探頭模型中，您可以看到無(wú)源探頭的電感、電容和電阻。電阻是一個(gè)分立元件，這意味著它被設(shè)計(jì)在探頭末端，以便將探頭從電路中隔離開來(lái)并盡量減小負(fù)載效應(yīng)。探頭電容是設(shè)計(jì)中的電容元器件和寄生電容共同形成的結(jié)果。

圖 8. 探頭基本原理圖。

圖 9 中的圖形使得這更容易理解。注意圖形左邊，在直流頻率范圍內(nèi)，輸入阻抗約為 100 kΩ。對(duì)信號(hào)來(lái)說(shuō)，這看起來(lái)像是一個(gè) 100 kΩ 接地電阻。但是，在圖形右側(cè)的 MHz 區(qū)域內(nèi)，阻抗開始下降，因?yàn)殡娙莸淖杩古c頻率成反比。因此，隨著頻率變高，電容開始變得比電阻更容易接地。

圖 9. 電容的阻抗與頻率成反比。

有源探頭的負(fù)載效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無(wú)源探頭，因?yàn)闊o(wú)源探頭僅由電阻和電容元件制成。有源探頭的負(fù)載效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無(wú)源探頭，因?yàn)闊o(wú)源探頭僅由電阻和電容元件制成。

第 4 個(gè)錯(cuò)誤：不確定應(yīng)該選擇有源探頭還是無(wú)源探頭

首先我們來(lái)看一個(gè)無(wú)源探頭與有源探頭對(duì)比的示例，如圖 10 所示。這里對(duì)比的是阻抗和頻率。繼續(xù)考慮探頭負(fù)載效應(yīng)，大部分工程師在閱讀探頭技術(shù)資料時(shí)，關(guān)注點(diǎn)都在電阻上。他們或許會(huì)比較無(wú)源探頭的 10 MΩ 電阻與有源探頭的 1 MΩ 電阻，然后想： “無(wú)源探頭的電阻更大，這說(shuō)明負(fù)載效應(yīng)更低?！钡?，他們真正應(yīng)該考慮的是我們?cè)谏厦嬗懻撨^的另一個(gè)重要因素，即電容。您可以比較圖 10 中無(wú)源探頭的 9.5 pf 電容與有源探頭的 1 pf 電容。

圖 10. 有源探頭和無(wú)源探頭對(duì)比。

圖 10 底部的圖形可以幫助您直觀地理解兩種不同電容的阻抗與頻率關(guān)系差異。無(wú)源探頭的紅色跡線和有源探頭的藍(lán)色跡線會(huì)在某一點(diǎn)相交叉。兩個(gè)探頭有同一阻抗的頻率點(diǎn)為 10 kHz。但是，隨著頻率升高，它們的阻抗看起來(lái)差別很大。在 70 MHz 時(shí)，無(wú)源探頭只有 150 Ω，而有源探頭為 2.5 kΩ。有源探頭的阻抗高得多，這正是您想要的。較高的阻抗將減少電容負(fù)載效應(yīng)。有源探頭的阻抗高得多主要是因?yàn)槠潆娙葺^低。在這種頻率上，電容的作用要遠(yuǎn)大于電阻值的作用。因此，千萬(wàn)不要忘記檢查探頭的電容技術(shù)指標(biāo)。

負(fù)載效應(yīng)在無(wú)源探頭和有源探頭之間造成的另一個(gè)重要區(qū)別是精度。要分析這種情況，最簡(jiǎn)單的方法是使用兩種探頭來(lái)測(cè)量信號(hào)的上升時(shí)間。圖 11 中的綠色跡線顯示了信號(hào)不通過探頭而是使用特殊附件直接進(jìn)入示波器的情況。可以看到，信號(hào)的真實(shí)上升時(shí)間為 1.1 ns。當(dāng)無(wú)源探頭與器件連接時(shí)，紅色跡線出現(xiàn)，此時(shí)上升時(shí)間測(cè)得為 1.5 ns。與真實(shí)上升時(shí)間相比，偏差 0.4 ns。連接有源探頭后(黃色跡線)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)上升時(shí)間測(cè)量值與實(shí)際值幾乎沒有差別。您甚至都看不到黃色跡線。由于有源探頭的負(fù)載效應(yīng)小得多，因而精度也高得多。

圖 11. 無(wú)源探頭和有源探頭負(fù)載效應(yīng)對(duì)上升時(shí)間的影響對(duì)比。

探頭阻抗隨頻率發(fā)生變化，有源探頭的阻抗大于無(wú)源探頭的阻抗。有源探頭更精確，但也更昂貴。您可能并不總是需要高精度，因此您想評(píng)測(cè)探頭在需要處理的特定頻率范圍內(nèi)的負(fù)載效應(yīng)，從而確定其是否在測(cè)試的允許范圍內(nèi)。請(qǐng)記住，始終要注意探頭負(fù)載效應(yīng)的兩個(gè)關(guān)鍵屬性：電阻和電容。電阻值應(yīng)盡可能高，電容值應(yīng)較小，這樣可以獲得更小的負(fù)載效應(yīng)。

第 5 個(gè)錯(cuò)誤：忘了考慮連接帶寬和負(fù)載效應(yīng)

連接帶寬

連接帶寬即探頭與被測(cè)器件之間的連接的帶寬。在許多情況下，會(huì)在探頭尖端使用附件，更方便地建立牢固連接。但是，這類附件會(huì)成為系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，給帶寬帶來(lái)限制，盡管您已經(jīng)選擇了帶寬最適合的示波器和探頭。在確定所需的帶寬和探頭附件時(shí)，必須考慮到這一點(diǎn)。

考慮圖 12 中的 2 GHz 有源探頭，從中理解負(fù)載效應(yīng)為什么是測(cè)量系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)。能夠與探頭搭配的附件有很多種。在第一個(gè)例子中，雙引線適配器和夾具抓取器連接到器件。這是一個(gè)很短的連接，所以帶寬仍然為 500 MHz。如果您去掉夾具端部，只保留引線，那么連接更短，所以可以看到更好的帶寬。但是，如果將所有附件都完全移除，有可能得到最短的連接，并提供最佳帶寬(2 GHz)。

現(xiàn)在您了解了最薄弱的環(huán)節(jié)將如何改變您在屏幕上看到的測(cè)量結(jié)果。但是，實(shí)際上在很多情況下使用這樣的附件還是很有必要的，或者由于信號(hào)頻率較低，不需要太寬的帶寬，所以可以使用附件。但對(duì)于需要更大的帶寬以便看到更快上升時(shí)間的應(yīng)用，千萬(wàn)不要忘記考慮連接帶寬。連接應(yīng)盡量短，才能實(shí)現(xiàn)盡量大的帶寬。

連接負(fù)載效應(yīng)

屏幕上看到的連接負(fù)載效應(yīng)值與連接帶寬平行。您可以在圖 12 中觀察同一個(gè)有源探頭的結(jié)果來(lái)理解負(fù)載效應(yīng)。使用引線適配器和夾具抓取器時(shí)，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)相對(duì)較低，但還是會(huì)有一些。如果完全不連接任何附件，負(fù)載效應(yīng)將降到最低。您可以看到它是如何隨附件而變化的，類似于連接帶寬。不使用任何附件時(shí)，負(fù)載將會(huì)非常小，以至于您很可能在測(cè)量中甚至不會(huì)注意到它。當(dāng)您嘗試確定哪些附件最適合您的應(yīng)用時(shí)(如果有的話)，知道這個(gè)規(guī)律尤其有用。

有一個(gè)簡(jiǎn)單的技巧可以確定您的器件將會(huì)遇到多少連接負(fù)載效應(yīng)。它的名稱是：雙探頭系統(tǒng)。其理論依據(jù)是在設(shè)計(jì)中的同一個(gè)位置使用兩個(gè)探頭，以估計(jì)一個(gè)探頭的負(fù)載效應(yīng)?；旧?，使用一個(gè)探頭和兩個(gè)探頭進(jìn)行測(cè)量之間的差異與不用探頭和用一個(gè)探頭測(cè)量的差異大體相同。

1. 將探頭和附件連接到被測(cè)器件

2. 測(cè)量信號(hào)的上升時(shí)間，并保存屏幕上顯示的跡線，以便稍后進(jìn)行比較

3. 使用相同的裝置/附件將另一個(gè)探頭連接到相同點(diǎn)。

圖 12. 不同的連接和帶寬效應(yīng)。

您可以在示波器屏幕(圖 13)上大略看到負(fù)載效應(yīng)有多大。這就是“單探頭”跡線與 “雙探頭”跡線的差別?？吹竭@些信息，您就可以知道使用不同的探頭和附件將會(huì)為系統(tǒng)引入多少負(fù)載效應(yīng)。再重復(fù)一遍，探頭末端到被測(cè)器件之間的附件或連接越短，您在信號(hào)上看到的連接負(fù)載效應(yīng)就越小。

圖 13. 雙探頭法演示。

第 6 個(gè)錯(cuò)誤：低估了衰減比

探頭的另一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)是衰減比。大部分應(yīng)用需要的衰減比各不相同。您需要多大的衰減比，由要測(cè)量的信號(hào)大小決定。衰減比將決定信號(hào)如何饋入示波器，以及最終如何在屏幕上顯示。我們退一步來(lái)思考為什么要使用不同的衰減比。示波器是非常靈敏的儀器，只能在一定的電壓范圍內(nèi)工作，以防止受到損壞。如果您正在處理較大的電壓，則需要通過分壓將電壓降低到示波器的安全電壓范圍內(nèi)。分壓值就是衰減比，不同的信號(hào)和應(yīng)用需要采用不同的衰減比。

如果您正在處理較高的電壓，則需要使用較高的衰減比，比如說(shuō) 10:1。這意味著將探頭連接到器件時(shí)，在示波器屏幕上看到的信號(hào)將僅為器件實(shí)際輸出信號(hào)的十分之一。如果您正在處理較高的電壓，那么應(yīng)該將其縮小到原來(lái)的十分之一，以適應(yīng) ADC 的范圍并正確進(jìn)行處理。如果您正在處理小電壓，則需要使用較小的衰減比，例如 1:1 探頭。這樣可以盡量充分利用 ADC，讓您更準(zhǔn)確地查看小信號(hào)。如果使用類似 1:1 探頭這樣的器件來(lái)測(cè)量大電壓，則信號(hào)會(huì)被削波，并且無(wú)法在屏幕上查看整個(gè)信號(hào)。衰減比可以從低電壓應(yīng)用時(shí)的 1:1 一路升高到高電壓應(yīng)用時(shí)的 1000:1。不同的衰減比各有優(yōu)缺點(diǎn)，但再次重申一遍，這要根據(jù)信號(hào)的大小來(lái)決定。使用較高的衰減比會(huì)從示波器放大器引入更多噪聲，而使用較低的衰減比意味著噪聲較少，但同時(shí)也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生更大負(fù)載效應(yīng)，有用頻率范圍也顯著降低。

圖 14. 將同一個(gè)信號(hào)輸入兩個(gè)通道，縱軸設(shè)置為 5V/格，您可以看到 10:1 探頭(黃色跡線)與 1:1 探頭(綠色跡線)之間的差異。

了解探頭和示波器技術(shù)指標(biāo)有助于您更好地理解衰減比。以圖 15 中的 10:1 探頭原理圖為例。這種探頭通常是示波器的標(biāo)配探頭。它將一個(gè) 9 M? 的探頭末端電阻與示波器的 1 M? 輸入阻抗串聯(lián)。探頭末端上的電阻于是就變?yōu)?10 M?，意味著進(jìn)入示波器的信號(hào)電壓為探頭末端連接處電壓的 1/10。

圖 15. 探頭和示波器連接原理圖。

根據(jù)這些知識(shí)，您可以輕松地為應(yīng)用選擇具有適合衰減比的探頭。這完全取決于您要處理的信號(hào)電壓。

理解所有這些關(guān)鍵的探頭技術(shù)指標(biāo)，將會(huì)幫助您避免其他工程師在示波器探頭選型時(shí)常犯的錯(cuò)誤。

記住不要犯的最大錯(cuò)誤：絕對(duì)不要低估探頭的能力!否則，您所測(cè)量的信號(hào)與屏幕上顯示的信號(hào)之間會(huì)出現(xiàn)很大差異。確保您選擇的探頭符合測(cè)試中重要技術(shù)指標(biāo)的要求。以上內(nèi)容由普科科技/PRBTEK整理分享， 西安普科電子科技有限公司致力于示波器測(cè)試附件配件研發(fā)、生產(chǎn)、銷售，涵蓋產(chǎn)品包含電流探頭、差分探頭、高壓探頭、無(wú)源探頭、電源紋波探頭、柔性電流探頭、近場(chǎng)探頭、邏輯探頭、功率探頭和光探頭等。旨在為用戶提供高品質(zhì)的探頭附件，打造探頭附件國(guó)產(chǎn)化知名品牌。