電子產(chǎn)品日益復(fù)雜，市場(chǎng)對(duì)示波器的帶寬和準(zhǔn)確性提出更高要求。這不是購(gòu)買一臺(tái)高檔示波器就能解決的問題，還需搭配適合的探頭和正確的測(cè)試方法。本文從探頭的原理出發(fā)，講述如何正確選擇和使用探頭。
認(rèn)識(shí)示波器探頭
被測(cè)信號(hào)不可能直接接入到示波器中，這就需要一個(gè)設(shè)備為測(cè)試點(diǎn)與示波器之間建立電氣連接。根據(jù)需求不同，這個(gè)設(shè)備可以是一個(gè)導(dǎo)線，也可能是較為復(fù)雜的電路。這個(gè)負(fù)責(zé)勾連測(cè)試點(diǎn)與示波器的設(shè)備就是示波器探頭。所以示波器探頭至關(guān)重要，沒有探頭示波器將無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。
圖1
上圖為示波器探頭測(cè)量時(shí)的示意圖，從上圖可知，示波器一般具有三個(gè)典型的部分，探頭頭部、探頭電纜和探頭補(bǔ)償設(shè)備。其中探頭頭部的作用是與測(cè)試點(diǎn)直接接觸，從而與被測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生電氣連接，最終獲取到需要測(cè)量的信號(hào)。探頭電纜的作用則是使示波器和探頭頭部彼此不互相干涉，可以做到在不移動(dòng)示波器的前提下，隨意移動(dòng)探頭頭部，使之可以方便的與測(cè)試點(diǎn)接觸。最后的探頭補(bǔ)償設(shè)備，主要是為了盡量消除探頭電纜帶來(lái)的負(fù)面影響，從一定程度上保持探頭的測(cè)量準(zhǔn)確性。
由探頭的基本結(jié)構(gòu)可知，探頭是不可能被看為一個(gè)透明的設(shè)備，一定會(huì)有很多性能上的限制，比如探頭電纜和補(bǔ)償設(shè)備決定了探頭的帶寬，又比如探頭中的器件尺寸也決定了探頭的輸入電壓。所以探頭會(huì)有一些基本的參數(shù)。在此歸納一下：
1、衰減系數(shù)
衰減系數(shù)，是所有探頭都會(huì)有的一個(gè)參數(shù)，指的是探頭使信號(hào)幅度下降的程度。某些探頭可能會(huì)有可選擇的衰減系數(shù)。典型的衰減系數(shù)有1×、10×和100×。1×探頭表示不會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減。10×則表示信號(hào)會(huì)被衰減10倍再輸入示波器。1×、10×這些名稱的由來(lái)，是因?yàn)橹暗氖静ㄆ鳑]有自動(dòng)識(shí)別探頭衰減系數(shù)和自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力，所以需要通過1×、10×這些名稱來(lái)提醒測(cè)試者記得要把測(cè)量出來(lái)的結(jié)果乘以相應(yīng)的倍數(shù)。
2、帶寬
帶寬也同樣是一個(gè)探頭必備的參數(shù)，指的是探頭導(dǎo)致信號(hào)衰減-3dB情況下的頻率點(diǎn)。如下圖所示：
圖2
如100MHz探頭就有100MHz帶寬，500MHz探頭就有500MHz帶寬。一些探頭，還會(huì)有一個(gè)低頻的帶寬頻率，比如一些AC探頭，不能傳遞DC信號(hào)，它在低頻段會(huì)有一個(gè)帶寬參數(shù)。值得一提的是，帶寬指的是-3dB的頻譜，此時(shí)信號(hào)被測(cè)量出的幅度只有真實(shí)信號(hào)的70.7%，所以測(cè)量者需要考慮對(duì)這個(gè)結(jié)果是否可以被接受，否則就需要使用更高帶寬的探頭。
3、上升時(shí)間
帶寬指的是對(duì)單一正弦波的測(cè)量，如果需要測(cè)量的是方波，則需要考慮探頭的上升時(shí)間，該參數(shù)是探頭在階躍信號(hào)激勵(lì)的輸入下，輸出信號(hào)從10%上升至90%所需的時(shí)間。這個(gè)參數(shù)實(shí)際上是用來(lái)進(jìn)行評(píng)估誤差范圍的。比如被測(cè)試方波信號(hào)的上升沿的上升時(shí)間為10ns，則經(jīng)過一個(gè)上升時(shí)間為3.5ns的探頭，最終輸出的上升時(shí)間就大致為：
上升時(shí)間退化了5.9%。
如果此時(shí)改用0.7ns的探頭，則輸出的上升時(shí)間為：
上升時(shí)間僅僅退化了0.24%。所以測(cè)量時(shí)，就需要盡量選擇上升時(shí)間遠(yuǎn)小于被測(cè)信號(hào)上升時(shí)間的探頭，一般需要3~5倍。
4、最大輸入電壓
最大輸入電壓是指探頭可以輸入的最大額定值的電壓。最大輸入電壓取決于探頭機(jī)身和探頭內(nèi)部器件的額定擊穿電壓。一般該項(xiàng)會(huì)通過一些安規(guī)規(guī)范來(lái)給出，而不是給出單一的電壓，比如一般10×的無(wú)源探頭的最大輸入電壓為300VRMS CAT Ⅱ。其中CAT Ⅱ 指的是一類測(cè)試場(chǎng)景，300VRMS CAT Ⅱ指的是在這類測(cè)試場(chǎng)景下可以測(cè)量的最大電壓。而且這個(gè)電壓并不是一個(gè)恒定值。而是會(huì)隨著頻率的變化而變化。一般探頭會(huì)給出自己的電壓額定曲線，如下圖所示：
圖3
5、輸入電容
輸入電容就是從探頭的探頭頭部端測(cè)量出的電容。對(duì)于有源探頭，該電容包括探頭探針的寄生電容和探頭內(nèi)部電路中的電容。對(duì)于一些無(wú)源探頭，還要包括探頭電纜的寄生電容和示波器本身的電容。該電容值越小，一般說明探頭可測(cè)量的頻率越高。
6、輸入電阻
