淺談示波器測量中探頭的選擇和使用

　　摘要：目前，數字家電技術的高速發展使與此對應的電子回路速度日益加快，對觀測波形信號的示波器和探頭的要求也越來越高，因此示波器的采樣速率和探頭模擬帶寬也得到了飛速發展。但是，不少示波器在實際測量過程中卻出現了波形再現性不理想或無法正確觀測波形等現象。問題究竟在哪里？原因在于隨著被測信號頻率的加快，探頭的重要性也更加突出，如果探頭性能不佳，就可能導致無法正確完成測量，本文將重點介紹幾點測量高速信號時需要注意的探頭選擇和使用問題。
　　
　　一、電壓探頭的主要種類
　　
　　探頭是電壓傳感器的一種，用戶應根據被測對象電壓值、輸出阻抗、電壓頻率選擇相適合的電壓探頭。目前示波器所使用的探頭種類非常多，探頭不同，其輸入阻抗（電阻值、電容值）或模擬帶寬也有很大差別，在準備測量之前，用戶需要充分了解探頭種類和各種探頭之間的差別。一般在高頻測量中被經常使用的探頭大致分為以下三種:
　　
　　二、高頻測量時需要注意的問題
　　
　　負荷效應
　　
　　當探頭與被測量回路相連接，探頭的輸入阻抗將對被測系統產生影響。這種現象稱為負荷效應。例如：在測量反饋回路時，探頭阻抗會改變回路內電壓相位，結果使回路動作發生變化，在震動回路中可能改變震動頻率，更為嚴重時出現震動停止等情況。因此測量時要考慮到探頭可能產生的負荷效應，特別是在測量靜電容量等敏感電路時，更需要注意探頭種類的選擇。
　　
　　探頭電容**測量帶寬
　　
　　在測量100MHz以上高頻波形成分時，信號源阻抗和探頭電容容量形成低通濾波器，對測量結果產生顯著影響。以50Ω回路為例（圖1），在終端測量信號波形時，信號源的等效阻抗為25Ω（50Ω并聯），這里因為回路內追加了探頭電容，形成的低通濾波器截止頻率為fc＝1/2πRC。如果使用14pF的無源探頭截止頻率則為fc＝455MHz，輸入容量為0.9pF的截止頻率則為fc＝7GHz。
　　
　　測量高輸出阻抗回路時，負荷效應會更加明顯，所以推薦使用輸入電容較小的有源探頭/FET探頭。
　　
　　因電感而產生共振
　　
　　在使用探頭觀測波形信號時必然用到同軸電纜，因為探頭是通過同軸電纜傳輸被測信號電纜必然存在電感，電感存在就會與探頭輸入電容產生共振。如果共振頻率在示波器模擬帶寬以外不會對波形觀測產生影響；但如果阻抗或電容較大，發生共振時，示波器可能觀測到被測信號本來沒有的紋波或震鈴。
　　
　　1～2cm長度電纜的電感值約為10nH，上文介紹三種探頭的共振頻率如表1顯示。
　　
　　此外，除了探頭輸入端中存在的電感，還需要注意探頭地線中電感所產生的影響。
　　
　　那么，使用探頭測量時，如何抑制共振的產生呢？
　　
　　首先在使用示波器確認輸入信號時，建議所使用探頭輸入端和地端盡量短。如果對被測信號再現性有更高的要求，則需要將探頭輸入端與被測端直接相連，使用較粗的銅線與探頭地端相連以盡量減小地線電感的影響，如果探頭輸入端無論如何無法直接連接到被測端時，則在探頭輸入前端附加50～100Ω的電阻，以防止共振產生。在該情況下，因附加電阻，測量系統模擬帶寬將被降低，以抑制因共振而產生的震鈴，使被測波形接近原始波形。
　　
　　電纜特性
　　
　　一般在測量時，通過同軸電纜將被測信號傳輸到示波器，電纜因具有柔軟性和高頻特性目前被廣泛選用。但是，在實際使用過程中，即使電纜存在很小的彎曲，該彎曲部分導電體也會被損壞，使其電感值發生變化，影響電纜的傳導特性/反射特性，以至于不能正確觀測波形的高頻成分，這是影響高頻波形觀測的一個因素，所以在使用同軸電纜觀測時，盡量使電纜不要彎曲，才可以zui大限度再現被測波形。
　　
　　觀測高頻信號時，需要選擇合適的探頭，更需要掌握正確使用探頭的方法。希望本文能夠為讀者在高頻測量時提供幫助。