2021年03月26日 | 有关示波器探头的 11 个误解

对于曾经操作过示波器的人而言，几乎每个人都使用过一两次示波器探头。有些人的使用体验很好，而有些人的感受却不尽如人意，而这可能是他们自身操作的结果。本文将试图澄清有关示波器探头的一些误解和半真半假之言，让用户获得更良好的结果。相关阅读：

误解1. 100 MHz 的“信号”，使用 100 MHz 的示波器探头。

示波器探头带宽与配合它们使用的示波器带宽采用相同的方法进行规定，即产品响应的 -3dB 点。举例来说，如果使用 100 MHz 带宽的探头测量 100 MHz 1Vpp 正弦波，那么探头输出将显示正弦波 0.7 Vpp 的幅度。因此，100 MHz 的探头并不适合测量 100 MHz 的信号。常规的经验是，使用具有 3 倍至 5 倍时钟频率或数字系统中触发率最快的探头来进行测量。这样就具备了捕获时钟或数字信号基频的第三或第五谐波的能力，使得示波器屏幕上的信号能更准确地表示具有方形边缘的真实信号。另一个有用的规则是 BW*Tr=0.35（针对 10-90 Tr）。使用此规则可以确定测量给定的上升时间所需的带宽， 也可以用于确定具有特定带宽的探头所能测量的最快边缘。

误解2. 只有高带宽测量才需要有源探头。

有源探头的低负载是它们最常被忽视的优势。每当探头与目标发生接触时，探头变成它所测量的电路的一部分。探头与电路之间的这种紧密接触效应称为探头负载。负载越大，对被测信号带来的探头干扰就越多。探头制造商对探头的输入电阻和电容做出了规定。典型的 500 MHz 无源探头为并联 10 MΩ，电容 9.5 pf；而典型的 1 GHz 有源探头为并联 1 MΩ，电容 1 pf。在直流中，对于被测电路而言，无源探头看起来像是一个 10 MΩ 的对地阻抗，而有源探头将为 1 MΩ。两者都是非常大的阻抗，这意味着在低频率信号上没有明显的影响。在较高频率下，探头电容将会对被测电路产生不利影响。例如， 在 75 MHz 的频率下，无源探头电容将呈现 150 Ω 的对地阻抗，而有源探头电容将呈现2.5 KΩ 的对地阻抗。有源探头的较小电容将导致 10 kHz 以上交流信号含量的负载较无源探头少。

误解3. 所有示波器探头的衰减比均为 10:1。

探头会使被测信号衰减，这样呈现给示波器的信号就不会超过示波器的输入范围。较大衰减比如 10:1、50:1、100:1 等，用于测量较高的电压，而小衰减比如 2:1 和 1:1，适用于较低的电压。测量系统的噪声（示波器噪声加探头噪声）会使得探头衰减比成正比增加。在选择探头时，这是一个重要的考虑因素。10:1 的无源探头和 1:1 的无源探头都可以用于测量 1Vpp 的典型信号，但 1:1 的无源探头会带来更有利的信噪比。

误解4. 只需建立稳定的连接即可开始测量

当人们看到示波器探头所含的众多连接附件时，可能会产生这一误解，认为只要简单地将它们与探头相连就可以达成测量目标。这些附件旨在为用户提供方便，使他们能够简单、快速地进行定性测量，检查电源是否通电或者时钟是否切换。定量测量包括上升时间、周期、过冲等等，在进行定量测量时，最好要去掉附件，采用尽可能短的连接。较长的附件会在探头的信号路径添加电感，大大降低它的带宽，同时增加被测电路的探头负载。

误解5. 接地就是接地

这一说法不言而喻，但对示波器探头而言，这可能并不确切。探头的接地方式会出现错误。探头的接地引线具有电感属性，它的阻抗随着频率的增加而增加。探头接地引线越长， 其电感越大，频率也越低，在低频率下阻抗会出现问题。沿着探头的屏蔽向下返回的电流会遇到此阻抗。这会使得探头带宽降低，造成可观察到的信号振铃。此外，接地引线越长，引线造成的环路越大，它也变成拾取杂散噪声的更大天线。最好是始终采用尽可能短的接地连接。

误解6. 使用电流探头和电压探头测量功率

功率= 电压* 电流，因此，上述观点似乎合理。实际上，它的错误在于，这个说法不完整。为了使用示波器准确地测量功率，电压探头和电流探头需要进行偏差校正。电压探头和电流探头的电气长度通常不一样。这是由电缆长度和设备延迟所造成，使得两个探头的信号在不同的时间到达示波器。其结果是，对于像切换模式电源这样的系统而言，电压和电流动态变化，导致电压乘以电流的乘积不正确。对探头进行偏差校正可以去除两个探头之间的信号传输时间差异并纠正错误。关于示波器探头使用的文献将包含这一过程的详细信息，它通常需要对已知信号进行探测，例如制造商随同探头一起提供的偏差校正夹具， 并通过在示波器上调整通道延迟来将其在时间上对准。许多示波器具有内置的偏差校正操作功能，能在探测到校准信号时自动执行时间对准。

误解7. 使用隔直 / 交流耦合来消除直流

很多时候，待分析的有用信号是交流信号，位于相对较大的直流信号顶部。测量直流电源的纹波和噪声就是一个常见的例子。“老派”的方法是将一个大电容与探头串联，隔离掉直流分量，使信号能够在屏幕上居中，并放大用于分析。另一种更好的方法是利用具有“探头偏置”能力的探头，如 N7020A 电源探头。探头偏置位于示波器和探头向探头内注入调零电压之处，最好位于探头的大电阻值探针电阻器后方。使用探头偏置的优势是只消除了直流。使用隔直时，低频内容也被滤除。在直流电源上测量纹波和噪声时，隔直可以滤除低频电源漂移和供电变化。探头偏置的另一个优势是，用户调整接入偏置，示波器知道消除了多少直流，并能显示此信息，以及在运算或自动测量中使用。

误解8. 不要把示波器探头放在温箱内。

曾几何时，这种说法并没有错误。但是，现在有多种高温选项提供给用户。例如，是德科技提供一系列电压和电流探头，可以在温箱内使用，其工作温度范围为 -50° C 到 +150° C。除了高温能力之外，这些探头还具有更长的电缆，这样他们可以温箱内部连接到测试设备所在的温箱外部。

误解9. 电流探测器在测量“小”电流时不起作用。

许多示波器电流探头用户在试图测量小电流（1-50mA）时曾有过不愉快经历，他们发现不同测量的电流探头偏差比被测电流大。这是由于多种因素造成的，如穿过探头的引线的位置变化、探头的热漂移、残余磁化强度或用于测量电流的导线环路中的外部信号耦合。针对非常小的电流（uA 及以下）的测量，有一种新型的电流探头，如 N2820A 高灵敏度电流探头。这种探头没有采用之前的磁场感应方法，而是依赖欧姆定律。这种差分电压探头能测量由 1mΩ 到 1MΩ 的感应电阻器的电压，并在示波器上显示电流测量结果。这种方法能消除前文提及的错误源，使得用户能够用示波器精确地测量非常小的电流。

误解10. 驱动示波器的同时不能使用两个探头

有一份来自探头制造商的产品介绍还没有进行公开，这份产品介绍关乎探头支架和探头定位器，因此往往被忽视。这些方便的附件可以为用户提供协助，使得用户能在探测多个位置的同时操作示波器。它们具有不同的复杂性，有些是简单的双脚架，与探头相连形成稳定的三脚架，探头成为第三只“脚”；有些是具有多轴、可无限定位的支架，位于能对水平目标和垂直目标进行探测的方位。

误解11. 探测现代高密度目标很难

高密度目标的探测并不像很多用户认为的那么困难。探头制造商始终致力于打造新的附件或探头产品线，以期使高密度目标的探测更为容易。他们缩小了新无源探头的直径， 使其更容易捕获目标；在某些情况下，他们给有源探头增加前灯用来照亮目标。甚至还出现了一种新型的磁性探头 N2851A，用户可以将一个小探头连接点焊接到目标上，探头与探测部位相连，由探头内的小磁铁固定就位。如此一来，通过移动磁铁， 探头就可以很容易地从一个位置移动到另一个位置。