如何選擇正確的探頭 不同探頭的應(yīng)用

在工程師使用示波器進(jìn)行測試工作的時(shí)候，他們大部分都只留意探頭的電壓范圍和頻率范圍，對(duì)探頭其他特性如等效電容、阻抗等特性沒有更深刻的理解，這會(huì)導(dǎo)致在某些場景下沒能選擇正確的探頭。事實(shí)上，探頭作為一個(gè)連接待測點(diǎn)到示波器的中間環(huán)節(jié)， 它與待測設(shè)備、示波器共同組成了一個(gè)測試系統(tǒng)，任意一個(gè)環(huán)節(jié)變化都會(huì)引起整個(gè)測試系統(tǒng)的變化。

探頭按照是否需要供電可分為有源探頭（內(nèi)置放大器，需要外部供電）和無源探頭（內(nèi)部都是無源器件，無需供電），按照測量信號(hào)類型可分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。下文主要介紹日常測試中經(jīng)常使用的幾種探頭以及在不同的場景下對(duì)應(yīng)探頭的選擇。

10:1無源探頭

我們經(jīng)常使用的是10:1高阻無源探頭，它的優(yōu)點(diǎn)是高輸入阻抗，動(dòng)態(tài)范圍寬（一般最大可測幾百伏）以及價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是輸入電容大且需要補(bǔ)償。下圖為10:1高阻無源探頭原理圖：

圖1 10:1高阻無源探頭原理

其中，C可調(diào)可以認(rèn)為是線纜的電容、示波器的電容和可調(diào)電容的并聯(lián)等效值。我們需要調(diào)節(jié)這個(gè)電容令R探頭*C探頭=R示波器*C可調(diào)，對(duì)探頭進(jìn)行補(bǔ)償。此外，示波器內(nèi)也存在寄生電容，同一個(gè)示波器的不同通道或者不同示波器的寄生電容都不一樣，所以同一個(gè)探頭接到另外一個(gè)通道或者另外一個(gè)示波器可能需要再次補(bǔ)償。

需要注意的是：

1) 由于負(fù)載電容效應(yīng)的存在，高阻無源探頭的高頻特性表現(xiàn)不是很好。因此這種探頭一般適用于低頻的情況，根據(jù)圖1，示波器也應(yīng)該選擇1MΩ的輸入阻抗。（部分示波器可選1MΩ和50Ω的輸入阻抗。需要測高頻時(shí)示波器一般選擇50Ω的輸入阻抗。）

2) 在10:1探頭中經(jīng)過分壓之后示波器收到的信號(hào)只有原信號(hào)的1/10，所以示波器需要經(jīng)過放大之后再顯示，這種情況會(huì)把示波器本底噪聲也放大。探頭的1X則不同，在這個(gè)檔位信號(hào)不經(jīng)衰減直接進(jìn)入示波器，所以示波器本底噪聲也不會(huì)放大，故1X檔位適用于測小信號(hào)或者電源紋波。

有源探頭

有源探頭有輸入電容低、帶寬高、輸入電阻高和無需補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是成本較高、需要供電和動(dòng)態(tài)范圍低。

有源探頭可以分為單端有源探頭、差分探頭（有高帶寬和高壓之分）和電流探頭等類型。單端有源探頭和差分探頭的區(qū)別是單端有源探頭測試的是測試點(diǎn)對(duì)地的參考電平，但是差分探頭可以直接測兩個(gè)測試點(diǎn)的相對(duì)電位差，不需要和“地“有聯(lián)系。單端有源探頭屬于一種特殊的差分探頭，但是它不能代替差分探頭的工作，例如在進(jìn)行浮地測量或者要求共模抑制能力的測試時(shí)就需要使用差分探頭。

單端有源探頭

單端有源探頭內(nèi)部有一個(gè)阻抗比較高的高帶寬的放大器，需要外部供電，所以成為有源探頭。它適用于需要高輸入阻抗、高帶寬的場景，一般能夠提供1MΩ的輸入阻抗和1G以上的帶寬（此時(shí)需要示波器選擇50Ω的輸入阻抗進(jìn)行匹配，但探頭本身的輸入阻抗還是高阻，工作原理如下圖2所示）。有源探頭的放大器比較接近待測電路，因此環(huán)路較小，可以減小一系列的寄生參數(shù)，帶寬可以做的更高，并且可以驅(qū)動(dòng)較長的線纜。但是由于動(dòng)態(tài)范圍不高，很容易被高壓破壞，所以使用時(shí)應(yīng)該注意待測電路的電壓范圍防止破壞價(jià)格比較高的有源探頭。

圖2 有源探頭工作原理

差分有源探頭

差分有源探頭的前端放大器是差分放大器，共模抑制比的能力比較強(qiáng)，有高帶寬和高電壓的差分有源探頭的分類。

高帶寬的差分有源探頭主要用于測試高速信號(hào)。這種探頭帶寬比一般的單端有源探頭更高，一般高速的數(shù)字信號(hào)測試都會(huì)使用差分探頭。

此外，對(duì)一些帶寬需求不高，但是對(duì)動(dòng)態(tài)范圍反而有一定要求的場景，如浮地測量（浮地測量具體內(nèi)容請(qǐng)查閱前期相關(guān)文章），CAN總線的測量等，這時(shí)需要使用高壓差分探頭。

電流探頭

有時(shí)候我們?cè)跍y試過程中還需要測試電流，測試電流有專門的電流探頭。示波器基本上就是測量電壓變化的，所以電流探頭實(shí)質(zhì)上是把電流參數(shù)按照一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系轉(zhuǎn)化為電壓，然后示波器再根據(jù)該電壓值得到對(duì)應(yīng)電流大小。電流探頭主要是根據(jù)霍爾效應(yīng)和電磁感應(yīng)原理將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。

1）霍爾效應(yīng)

主要通過電流通過路徑所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)測量。電壓探頭中有一個(gè)感應(yīng)環(huán)，測試時(shí)把這個(gè)環(huán)套在供電線上，電流探頭就能檢測出供電線上電流產(chǎn)生的磁場，然后再轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。這種探頭的好處是可以檢測直流和交流，但是缺點(diǎn)是小電流測量能力有限。我們可以通過把待測線纜在感應(yīng)環(huán)里多繞幾圈來放大電流產(chǎn)生的磁場，放大倍數(shù)等于繞的圈數(shù)。

2）電磁感應(yīng)

利用電磁感應(yīng)原理測量電流的電流探頭靈敏度高，帶寬也比較高，但是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，無法測量直流電流和低頻電流。

探頭不同條件對(duì)測量的影響

一個(gè)理想的探頭模型應(yīng)該具有輸入阻抗無限大、無限帶寬、零輸入電容、動(dòng)態(tài)范圍無限大、零延時(shí)等特點(diǎn)。但是現(xiàn)實(shí)中沒有這種理想的探頭。由于各種寄生參數(shù)的存在，不同的測試情況導(dǎo)致的測量結(jié)果也可能不一樣。

1）輸入電容的影響

我們可以通過一個(gè)最簡單的PP510無源探頭來看一下不同輸入電容對(duì)測量的影響，圖3是該無源探頭的數(shù)據(jù)：

圖3 PP510無源探頭的參數(shù)

從圖3可以看出在1X和10X的檔位的時(shí)候輸入電容分別是85pF~120pF和18pF~22pF，10X檔位的時(shí)候的輸入電容遠(yuǎn)小于1X檔位。我們可以在SDS1104X-E示波器上的通道1分別測試這兩個(gè)檔位測量同一個(gè)信號(hào)的上升時(shí)間的不同表現(xiàn)（注意：根據(jù)Trise*BW=0.35可以知道100M帶寬對(duì)應(yīng)的上升時(shí)間是3.5ns，PP510無源探頭和100M示波器組成的測量系統(tǒng)的上升時(shí)間為4.94，即測量系統(tǒng)的帶寬為70.85MHz，所以探頭的帶寬越高，系統(tǒng)越接近示波器的帶寬）。無源探頭直接使用配套的鉤子和接地的小夾子，測量鼎陽STB-3實(shí)驗(yàn)板上的一個(gè)100KHz方波的上升時(shí)間，結(jié)果如圖4和圖5所示：

圖4 PP510使用1X檔位時(shí)示波器測量結(jié)果

圖5 PP510使用10X檔位時(shí)示波器測量結(jié)果

從上圖結(jié)果可以明顯看到1X檔位波形失真比10X檔位波形失真更為嚴(yán)重，而且上升時(shí)間比10X檔位多了200%。由此我們可以感受到輸入電容對(duì)測試結(jié)果的影響大小。

此外，改變探頭的衰減比也會(huì)對(duì)小信號(hào)的測量造成影響，在測量小信號(hào)的時(shí)候使用10X檔位會(huì)增大示波器的本底噪聲，故要根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)節(jié)探頭的測量條件。

2）接線方式的影響

在上述測量中我們改變接線方式，把無源探頭的鉤子拿掉，接地夾子換成接地彈簧，檔位都設(shè)置為10X，測量同一個(gè)信號(hào)的上升時(shí)間。測量結(jié)果如圖6所示：

圖6 PP510使用10X檔位，把接地夾子換成接地彈簧后測量結(jié)果

對(duì)比圖5和圖6我們可以發(fā)現(xiàn)改變接線方式，使用探針和接地彈簧測量的上升時(shí)間比之前減少了6.2%。這時(shí)因?yàn)樘筋^與待測器件的引線長度減少了，其中的寄生參數(shù)也對(duì)應(yīng)減小，相對(duì)地提高了測量系統(tǒng)的帶寬。所以接地的線長度也會(huì)對(duì)測量結(jié)果造成影響，要減少這方面的影響可以縮短接地線纜的距離。

以上就是對(duì)探頭基礎(chǔ)知識(shí)的介紹以及幾種不同探頭在不同場合的具體應(yīng)用情況。在使用探頭測試待測點(diǎn)時(shí)，探頭并不是完全能把信號(hào)完整地傳輸?shù)绞静ㄆ鲀?nèi)，需要考慮探頭對(duì)待測信號(hào)以及示波器的影響。根據(jù)實(shí)際的電路特性選擇合適的探頭以及適合的測試環(huán)境，才能得到正確的測量結(jié)果，否則有可能得到與實(shí)際情況截然不同的結(jié)果從而被錯(cuò)誤的測量結(jié)果誤導(dǎo)。