示波器的探头原理

  和示波器之间的中间环节，如果信号在探头处已经失真了，那么示波器做得再好也没用。500MHz的无源探头本身上升时间约为700ps，通过这一个探头测试一个上升时间为530ps的信号，即使不考虑示波器的带宽影响，经过探头后的信号上升时间已经变为860ps。

  探头对测试的影响，包括两部分：探头对被测电路的影响以及探头本身造成的信号失真。为了考量探头对测量的影响，通常可以把探头输入电路简单等效为图2.所示的R，L，C的模型，进行分析。

  探头本身有输入电阻，为了尽可能减少对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe要尽可能大。Rprobel不可能无穷大，所以会与被测电路产生分压。为了尽最大可能避免探头电阻负载造成的影响，一般要求探头的输入电阻大于源阻抗以及负载阻抗的10倍以上。大部分探头输入阻抗在几十KΩ到几十MΩ之间。

  探头本身还有电容，这个电容是寄生电容，是影响探头带宽的最主要的因素，因为这个电容会衰减高频成分，把信号的上升沿变缓慢。一般无源探头的输入电容在10pF到几百pF之间，带宽高的有源探头输入电容在0.2pF到几pF之间。

  探头输入的信号还会受到寄生电感的影响。寄生电感主要是探头和被测电路间的导线，和探头的地线形成。当电感值太大，寄生电感和寄生电容组成了谐振回路，在输入信号激励下产品高频谐振，造成信号失真。所以测试高频时需要严控信号和地线. 探头寄生电感引起的谐振

  无源探头通常会有1m长的连接线，另外示波器输入端也有寄生电容，这一些都会影响带宽，为了改善高频响应，高阻无源探头前端会有相应的匹配电路，最典型的就是一个R

  Rprobe在改善频响的同时会和示波器输入阻抗产生一个分压，这个分压比最常见是10：1，进入示波器的电压是线倍的衰减。无源探头通常标配15cm长的黑色地线夹，这么长的地线由于寄生电感，在测高频信号时会产生比较大的振荡，在有

  有源探头要求示波器采用50Ω的匹配方式，以保证后端的传输带宽。有源探头本身的输入阻抗还是高阻，可以1MΩ的阻抗，有源探头放大器可以尽可能靠近被测电路，信号环路小，减少了很多寄生参数，带宽可以到数G Hz。有源探头的缺点是有限的动态范围，受限于高带宽放大器正常工作的电压范围，一般有源探头动态范围在几伏以内。单端有源探头：

  差分有源探头其前端是差分放大器，好处是可以直接测量高速的差分信号，同时其共模抑制比高，对共模噪声的抑制能力比较好。差分探头分两种：高带宽的差分探头，其带宽能够达到30G Hz，动态范围小，在5V甚至2.5V以内；高压

  检测磁通量，其输出电压与磁通量呈正比。典型电流探头的转换系数是0.1V/A或0.01V/A。霍尔元件探头能够直接进行直流和交流的测量。其缺点是受限于示波器的底噪声，其小电流能力有限，一般小于10mA的电流就很难测量。若需要更小的电流测量，可以把被测电线在探头上多绕几圈。图11. 霍尔元件法电流探头

  使用探头测试时，具体使用环境下很多因素都会影响到测量结果，其中最常见的就是探头和被测件之间的连接方式，不同连接方式提供的系统带宽可能会不一样。图12.是典型的有源探头的前端部分的等效电路图。放大器前面的连接部分是一段阻抗不受控的连接线，有很多等效电容和电感，这部分对系统带宽，高频的输入阻抗，频率响应影响很大。放大器后面通常是50Ω的传输线，对于系统带宽影响较小。减小引线对系统带宽的影响的方法是缩短探头和被测件的连接线. 有源探头前端的等效电路

  探头在测试时，会成为电路的一部分，附加到被测设备的探头和探测附件会给电路带来电阻，电容，电感和失配负载。由于负载效应不同，会在频域中影响探头的带宽和频响，并在时域中带来过冲，振铃和直流偏置问题。因此，探头的负载对于被测电路的影响，是影响测量精度的一个主要的因素。知道了探头的负载效应，就可用于构建等效电路模型，评估寄生参数，以消除探头导致的负载效应。探头负载不是一个常数，它随频率变化。

  阻性负载：在直流和低频范围内，主要的负载是探头的输入电阻。若被测电路的阻抗比探头的阻抗还大，流经电路的大部分电流会流入探头，会降低被探测点的电压。影响直流参数，例如直流幅度精度，直流偏置。

  容性负载：电容负载随频率而增加，在高频时，电容负载起作用，将高频信号引入到地，极大降低了探头的输入阻抗。容性负载对高阻无源探头很重要，它会显著限制探头的带宽和降低信号的边沿速度。

  感性负载：该负载大多数来源于探头探针到地产生的环路电感，磁通在该环路产生感应电压，如果自谐振不是阻尼的，会导致探测系统的频率响应出现非常明显的过冲。导致被测信号失真。

  可以使用一种简单的方法，通常称为双探测技术。首先，选择一个想用的探头，将其连接到已知的目标阶跃信号。保存该波形，以便示波器进行参考。接着拿第二个探头将其附加到相同的探测点。第二个探头必须与连接附件的探头完全相同。这时刻意看到使用两个探头探测与仅与一个探头时的波形变化，变化越大说明探头负载效应越大。

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