2020年09月24日 | 让示波器进行准确的测量的八大秘决—探头篇

探测技术对於高品质的示波器测量来说，是非常重要的。而探头通常是示波器测量链中的第一环。如果探头的性能不足，就会在示波器上看到失真讯号或误导讯号。为测试应用选择恰当的探头是执行可靠测量的第一步。而如何使用探头，也会影响执行精确测量的能力，以至於影响获得有用的测量结果。本文将透过8个重要秘诀，帮助工程师为自己的应用选择适当探头，提高示波器探测能力，并避免最常见的探测陷阱。

秘诀1 选择被动或主动探头

对於低於600-MHz的中低频测量来说，被动高阻抗探头是很好的选择。这些探头坚固耐用且价格经济，具有大於300 V的宽动态范围和高输入阻抗，因此可与示波器的输入阻抗相匹配。不过，和低阻抗被动探头或主动探头相比，被动探头具有更高的电容负载，而且频宽较低。总之，对於绝大多数类比或数位电路的通用除错和故障诊断来说，高阻抗被动探头都是一个极好的选择。

对於在宽频范围上（大於600MHz）需要执行精确测量的高频应用来说，最好选用主动探头。主动探头比被动探头价格较高，并且其输入电压有限，但是由於它们的电容负载显着降低，因而能更精确地观察快速讯号。

秘诀2 使用双探头检查探头负载

探测电路之前，先将一个探针连接到电路上的一点，然後再将第二个探头连接到同一点。在理想状况下，会看到讯号无任何变化。如果讯号产生变化，这个变化是由探头负载引起的。在理想状况下，示波器采用无扰线（具有无限的输入电阻、零电容和零电感）连接到待测电路，它能对待测讯号执行精确复制。但在现实世界中，探头是测量的一部分，它会向电路载入负载。

如欲检查探头的负载效应，首先要将探头连接到待测电路或一个已知的步进讯号，另一端连接到示波器的输入端。在示波器显示幕上观察此轨迹，然後保存，再在显示幕上调用以使迹线保留在显示幕上执行比较。之後可将相同类型的另一个探头连接到同一探测点，观察在使用两个探头执行探测时原始迹线有何变化。为了更隹执行探测，可能需要对探测执行调整，或者使用较低负载的探头。

秘诀3 使用前的探头补偿

大多数探头在设计时，都和特定示波器型号的输入相匹配。不过，各个示波器之间也是略有差别，甚至在同一示波器的不同输入通道之间也有差别。所以在将探头连接到示波器的输入端之前，一定要确保首先检查探头补偿，因为此探头先前可能已经过调整，以便和不同的输入相匹配。

为了解决这个问题，大多数被动探头都采用内建补偿RC分压器网路。探头补偿是调整RC分压器的过程，以使探头维持在额定频宽上的衰减率。如果示波器能够自动补偿探头性能，使用该功能将会非常有用。否则，可使用手动补偿来调整探头的可变电容。大多数示波器在前置面板上都可提供方波叁考讯号以对探头提供补偿。

秘诀4 低电流测量秘诀

随着当前电池供电设备和积体电路变得越来越注重环保和高效能，工程师迫切需要高灵敏度的低电平电流测量能力，以确保电流消耗处於可接受的范围之内。需要精确测量功耗的主要应用，是无线行动设备和消费类电子产品等使用电池供电的应用。为了尽量延长电池的使用时间，工程师需要最大限度降低产品在整个使用寿命中的功耗。功率定义为P＝V×I。降低设备功耗的主要方法是在电源电压固定不变的情况下，减少设备的平均电流消耗。

测量由电池供电的行动设备的电流消耗，最主要的挑战是电流讯号的动态范围非常宽。行动设备通常需要在活动状态，与闲置或待机电流模式之间来回切换。可是，这种方法并不适合测量从不到1毫安培快速变到几安培的小电流， 因为钳形电流探头的动态范围和灵敏度都非常有限，仅有几毫安培。而且，为获得更精确的测量，工程师必须不定期地对探头执行消磁处理，以消除探头核心的残馀磁性，并补偿钳形电流探头的直流偏置。

秘诀5 使用差动探头执行安全浮动点测量

示波器使用者经常需要执行浮动点测量。在这种测量中，任何测量点都不能潜在接地。在执行标准示波器测量时，探头连接到讯号点，探针接地引线连接到电路接地，此时，示波器实际测量的是测试点和接地之间的讯号差。大多数示 波器都将其讯号接地终端（或BNC介面的外壳）连接至防护接地系统。此举可使示波器上的所有讯号均有一个共同的连接点。基本上，所有示波器测量都是相对於「接地」来说的。本质上，将接地连接器连接到任何一个浮动点都可使探测点接地，这常常造成尖峰或电路故障。那麽应如何应对这种浮动点测量问题呢，目前执行浮动点测量有一个很流行，但却不太可取的解决方案，那就是AB技术，它使用两个单端探头和示波器的运算函数来执行浮动点测量。

探测时最易产生误解的问题之一，是共模抑制可能会影响测量品质。无论是单端探头还是差动探头，将两个探针均连接到待测物的接地，然後观察萤幕上是否有任何讯号显示都是值得的。如有讯号显示，该讯号显示的就是由於缺少共模抑制而引起的讯号受影响程度。测量由源头而非讯号造成的共模杂讯电流，可从待测物的接地流经探头接地，直至探头电缆遮罩。共模噪音源可能在待测物内部，也可能在其外部，例如电源线杂讯、EMI或ESD电流。单端探头的长接地引线可能会使该问题变得非常明显。单端探头常常会遭到缺少共模抑制的影响。差动主动探头则可提供更高的共模抑制比，通常可高达80dB（10,000:1）。

秘诀7 检查探头耦合

在将探头连接至讯号时，用手抓住探头电缆并绕圈移动。如果萤幕上的波形发生严重改变，那就说明能量就已耦合到探头遮罩，产生了这个改变。透过使用探头电缆上的磁芯来降低电缆遮罩的共模杂讯电流，可能有助於提高探测精准度。探头电缆上的磁芯会生成一系列的阻抗与导体中的电阻并联。增加探头电缆的磁芯对讯号几??没什么影响，因为讯号通过中心导体的核心并沿着遮罩的核心返回，致使没有净讯号电流经过核心。

因此，电缆磁芯的位置非常重要。为方便起见，可尝试着将磁芯安装在示波器一端。这将使探头变得更轻、更易於操作。不过，在将磁芯安装到电缆的探头介面端时，磁芯的有效性将会大大降低。减少单端探头接地引线的长度将会有 一定的帮助作用，转而采用差动探头是最有效的措施。很多用户都不能理解探头电缆环境的改变会造成测量结果的改变，尤其是在执行高频测量时，它会造成测量可重复性和测量品质的下降。

秘诀8 阻尼谐振

探头性能受到探头连接的高度影响。由於设计中讯号速度的提升，因此在连接示波器探头时可能会发现更多过冲、振荡和其他扰动。探头会在与元件的连接位置形成一个谐振电路。如果谐振位於示波器探头频宽内，确定测量扰动源於电路或是探头将变得十分困难。