探頭－測(cè)量質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)！

探頭對(duì)示波器測(cè)量至關(guān)重要。為了解其重要意義，從示波器上不連接探頭，試著進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果是不能進(jìn)行測(cè)量。在被測(cè)信號(hào)和示波器的輸入通道之間必需有某類電連接，也就是某類探頭。

探頭除對(duì)示波器測(cè)量至關(guān)重要外，探頭對(duì)測(cè)量質(zhì)量也非常關(guān)鍵。把探頭連接到電路上可能會(huì)影響電路操作，示波器只能顯示和測(cè)量探頭傳送到示波器輸入上的信號(hào)。

因此，探頭對(duì)探測(cè)的電路影響必須達(dá)到最小，并對(duì)所期望的測(cè)量保持足夠的信號(hào)保真度。如果探頭不能保持信號(hào)保真度，如果它以任何方式改變信號(hào)或改變電路運(yùn)行的方式，示波器會(huì)看到實(shí)際信號(hào)的失真結(jié)果，進(jìn)而可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果或誤導(dǎo)性的測(cè)量結(jié)果。

探頭選型指南

信號(hào)源怎樣把其屬性轉(zhuǎn)換成相應(yīng)探頭選型指標(biāo)？與以前一樣，我們的目標(biāo)是選擇能夠最好地探測(cè)信號(hào)到示波器的探頭。但是，還不止于此。示波器提出了某些要求，在選擇探頭的過程中，必須考慮這些要求。

本章考察了各種選型要求，我們首先介紹信號(hào)源提出的要求。

選擇適當(dāng)?shù)奶筋^

由于廣泛的示波器測(cè)量應(yīng)用和需求，市場上可供選擇的示波器探頭很多，因此探頭選擇過程很容易引起混淆。

為減少大量的混淆及縮小選擇過程，應(yīng)一直遵守示波器制造商的探頭建議，這一點(diǎn)非常重要！因?yàn)椴煌氖静ㄆ魇怯胁煌膸挕⑸仙龝r(shí)間、靈敏度和輸入阻抗。充分利用示波器的測(cè)量功能要求探頭要與示波器的設(shè)計(jì)相匹配。

此外，探頭選擇過程應(yīng)考慮測(cè)量需求。您要測(cè)量哪些項(xiàng)目？是電壓？電流？還是光信號(hào)？通過選擇適合信號(hào)類型的探頭，可以更快地獲得直接測(cè)量結(jié)果。

另外，要考慮測(cè)量的信號(hào)幅度。它們是否位于示波器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)？如果不是，必需選擇可以調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)范圍的探頭。一般來說，這通過使用10X 或更高的探頭進(jìn)行衰減來實(shí)現(xiàn)。

要保證探針上的帶寬或上升時(shí)間應(yīng)超過計(jì)劃測(cè)量的信號(hào)頻率或上升時(shí)間。要記住，非正弦曲線信號(hào)具有重要的頻率成分或諧波，其可能會(huì)在很大程度上超過信號(hào)的基頻。例如，為了測(cè)量包括100MHz方形波的第5個(gè)諧波，您需要探針上的帶寬為500MHz的測(cè)量系統(tǒng)。類似的， 示波器系統(tǒng)的上升時(shí)間應(yīng)該比計(jì)劃測(cè)量的信號(hào)上升時(shí)間快 3-5 倍。

另外，應(yīng)一直考慮探頭可能導(dǎo)致的信號(hào)負(fù)載。盡量使用高電阻、低電容探頭。對(duì)大多數(shù)應(yīng)用，帶有20pF或更低電容的10M探頭應(yīng)為信號(hào)源負(fù)載提供充足的保證。但是，對(duì)某些高速數(shù)字電路，您可能需要轉(zhuǎn)向有源探頭提供較低的電容。

最后記住在進(jìn)行測(cè)量前，必須能夠把探頭連接到電路上。這可能要求選擇時(shí)專門考慮探頭頭部規(guī)格和探針適配器，以簡單方便地連接電路。

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理解信號(hào)源

在選擇探頭時(shí)要考慮四個(gè)基本信號(hào)源問題，即信號(hào)類型、信號(hào)頻率成分、信號(hào)源阻抗和測(cè)試點(diǎn)的物理屬性。

信號(hào)類型：探頭選擇的第一步是評(píng)估要探測(cè)的信號(hào)類型。為此，可以把信號(hào)劃分為：

■電壓信號(hào)

■電流信號(hào)

■邏輯信號(hào)

■其它信號(hào)

電壓信號(hào)是電子器件測(cè)量中最經(jīng)常遇到的信號(hào)類型，也正因如此，電壓傳感探頭是最常用的示波器探頭類型。此外，應(yīng)該指出，由于示波器在輸入上要求電壓信號(hào)，因此其它類型的示波器探頭在本質(zhì)上是把傳感到的現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。一個(gè)常見實(shí)例是電流探頭，它把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，以在示波器查看信號(hào)。

邏輯信號(hào)實(shí)際上是特殊類型的電壓信號(hào)。可以使用標(biāo)準(zhǔn)電壓探頭查看邏輯信號(hào)，但更常見的情況是必需查看特定的邏輯事件。設(shè)置一個(gè)邏輯探頭提供觸發(fā)信號(hào)給示波器，當(dāng)滿足規(guī)定的邏輯組合觸發(fā)條件，這允許在示波器顯示屏上查看特定的邏輯事件。

限制帶寬的主要影響是降低信號(hào)幅度。信號(hào)的基頻越接近探頭的3dB帶寬，探頭輸出上看到的整體信號(hào)幅度越低。在3dB 點(diǎn)上，幅度下降30%。此外，由于帶寬滾降，擴(kuò)展到探頭帶寬之上的信號(hào)諧波或其它頻率成分會(huì)經(jīng)歷更高程度的衰減。在較高的頻率成分上衰減程度較高，可以通過拐角的變化及快速波形轉(zhuǎn)換沿的變慢看出這一點(diǎn)(參見下圖)。

還應(yīng)該指出，探針電容也限制著信號(hào)轉(zhuǎn)換的上升時(shí)間。但是，這與信號(hào)源阻抗和信號(hào)源負(fù)載有關(guān)。

信號(hào)源阻抗

討論信號(hào)源阻抗阻抗可以提煉為下面幾個(gè)要點(diǎn)：

1. 探頭的阻抗與信號(hào)源阻抗相結(jié)合，產(chǎn)生新的信號(hào)負(fù)載阻抗，其在一定程度上會(huì)影響信號(hào)幅度和信號(hào)上升時(shí)間。

2. 在探頭阻抗明顯高于信號(hào)源阻抗時(shí)，探頭對(duì)信號(hào)幅度的影響可以忽略不計(jì)。

3. 探針電容也稱為輸入電容，影響著信號(hào)的上升時(shí)間。這是由于把探頭的輸入電容從10%提高到90%所需的時(shí)間導(dǎo)致的，其公式如下：

tr = 2.2 xRsource x Cprobe

從上面幾點(diǎn)中，可以明顯看出最好選擇高阻抗、低電容探頭，以最大限度降低信號(hào)源的探頭負(fù)載。此外，通過在可能的地方選擇低阻抗信號(hào)測(cè)試點(diǎn)，可以進(jìn)一步降低探頭負(fù)載的影響。

物理連接考慮因素

信號(hào)測(cè)試點(diǎn)的位置和形狀也是探頭選擇的主要考慮因素。其是否足夠，剛好把探頭接觸到測(cè)試點(diǎn)上、在示波器上觀察信號(hào)？還是必需使探頭連接測(cè)試點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行各種電路調(diào)節(jié)？對(duì)前一種情況，適合采用針式探針；而對(duì)后一種情況，則要求某類可收縮的掛鉤探針。

測(cè)試點(diǎn)的規(guī)格也影響著探頭選擇。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的探頭和配件特別適合探測(cè)連接器針腳、電阻器引線和背板。但為了探測(cè)表面封裝電路，我們推薦使用帶有為表面封裝應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的配件的小型探頭。目標(biāo)是選擇最適合特定應(yīng)用的探頭規(guī)格、形狀和配件，從而可以迅速、簡便、牢固地把探頭連接到測(cè)試點(diǎn)上，以可靠地進(jìn)行測(cè)量。

示波器問題：示波器問題對(duì)探頭選型的影響與信號(hào)源問題一樣重要。如果探頭與示波器不匹配，將損害探頭的示波器一端信號(hào)保真度。

帶寬和上升時(shí)間：必需認(rèn)識(shí)到，示波器及其探頭是作為一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)一起工作的。因此，使用的示波器帶寬和上升時(shí)間指標(biāo)應(yīng)大于等于使用的探頭指標(biāo)，使其足以測(cè)量信號(hào)。

這些探頭放大器系統(tǒng)專用程度高，是為了與特定的示波器型號(hào)匹配而設(shè)計(jì)的。結(jié)果，在選擇示波器時(shí)一定要檢查制造商為差分探頭系統(tǒng)推薦的配件，以滿足小信號(hào)應(yīng)用要求。

注意：差分探頭系統(tǒng)通常包含靈敏的器件，過壓可能會(huì)損壞這些器件，包括靜電放電。為避免損壞探頭系統(tǒng)，一直應(yīng)遵循制造商的建議，并遵守所有注意事項(xiàng)。

讀數(shù)功能。大多數(shù)現(xiàn)代示波器在屏幕上提供了垂直靈敏度和水平靈敏度設(shè)置(伏/格和秒/格)的讀數(shù)。這些示波器通常還提供了探頭傳感和讀數(shù)處理功能，從而讀數(shù)可以正確跟蹤使用的探頭類型。例如，如果使用10X 探 頭，通過以10X 系數(shù)調(diào)節(jié)垂直讀數(shù)，示波器應(yīng)大體反映靈敏度。如果使用電流探頭，垂直讀數(shù)將從伏/格變?yōu)榘才?格，以體現(xiàn)正確的度量單位。

為利用這些讀數(shù)功能，應(yīng)使用兼容示波器讀數(shù)系統(tǒng)的探頭。也應(yīng)該遵循制造商與特定示波器一起使用探頭的建議。這對(duì)新型示波器尤其重要，其可能具有許多通用探頭或商用探頭沒有全面支持的高級(jí)讀數(shù)功能。

選擇正確的探頭

從前面討論的信號(hào)源和示波器問題中可以明顯看出，如果沒有一定的幫助，選擇適當(dāng)?shù)奶筋^是一個(gè)非常麻煩的過程。事實(shí)上，由于并沒有一直指定某些關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)，如探頭上升時(shí)間和示波器輸入電容，在某些情況下選擇過程可能會(huì)變成猜測(cè)性的工作。

為避免猜測(cè)性的工作，最好選擇在推薦配件清單中包括可以廣泛選擇探頭的適配器。另外，在遇到新的測(cè)量要求時(shí)，一定要與示波器制造商核對(duì)新推出的、可能擴(kuò)展示波器功能的探頭。

最后，記住對(duì)任何給定應(yīng)用，實(shí)際上并沒有“合適的”探 頭選型，而只有“合適的”示波器 / 探頭組合選項(xiàng)，它 們首先取決于界定的信號(hào)測(cè)量要求，包括：

■信號(hào)類型(電壓, 電流, 光接口等等)

■信號(hào)頻率成分(帶寬問題) 信號(hào)上升時(shí)間

■信號(hào)源阻抗(電阻和電容)

■信號(hào)幅度(最大值, 最小值) 測(cè)試點(diǎn)形狀(帶引線的器件, 表面封裝等)

通過考慮上述問題及填寫具體的應(yīng)用信息，可以找到能夠滿足所有應(yīng)用需求的示波器和各種兼容探頭。

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