力科示波器探头使用指南

示波器探头基础系列之五

——示波器探头使用指南

美国力科公司

概述：

本文旨在帮助读者对常用的示波器探头建立一个基本认识。此外，我们通过一系列的例子说明探头的不正确使用如何影响测量的结果。

理解探测问题

注意!连接示波器和待测物会给被测波形带来失真。

示波器上应该贴上上面类似的警告标签吗？或许是的。示波器同其它测量仪器一样，受制于各种测量问题——显然，示波器和待测物的连接会影响到测量，使用者理解这样的影响是非常重要的。随着示波器技术的发展，连接示波器和待测物的工具和技术已经变得非常成熟。

早期的示波器，测量带宽只有几百KHz数量级，常使用电缆连接电路。现代示波器使用各种连接技术以最小化测量误差。使用者应该熟悉示波器本身以及示波器连接电路的各种方法的特性和限制。

考虑示波器连接待测电路的方式如何影响测量，待测电路可以等效为包含内置电阻和电容的戴维宁等效电压源。同样，示波器输入电路和连接部分可以被等效为负载电阻和旁路电容。该模型如图1所示。当示波器连接信号源时，示波器的负载效应会减小测量到的电压。低频的损耗取决于电阻比率Rs和Ro。对于高频时的损耗，Cs和Co成了主要因素。另外一个影响是系统带宽由于示波器的容性负载而变小，这也会影响到动态时间量的测量，如脉冲上升时间Risetime。

图1 包括信号源和示波器的简单测量模型

示波器的设计者需要从两个方面入手来减少负载效应的影响:

a．高阻探头，利用有源和无源电路来减少负载效应，这些电路包括补偿衰减器或者低容值场效应晶体管缓冲放大器。

b．对于高频应用的直接连接，示波器的输入电路采用50ohm的内部端接。在这些场合，示波器输入电路被设计成常数的50ohm负载阻抗。低电容的探头被设计为50ohm端接来减少负载效应。

如何选择合适的探头

通常，探头可以被分成三大类。1、无源高阻探头；2、无源低阻探头；3、有源探头。

针对特定应用选择特定探头，这些探头的优点和缺点都需要被仔细考虑。表1给出了三种探头以及它们适合的频响范围和输入电压。

表1 探头类型，以及它们适合的频响范围和输入电压。

不幸的是，工程师仅仅知道探头的主要电气特性（频率范围和最大输入电压），还不足以针对特定应用选择正确的探头。实际上，其它的探头特性（如等效电容、阻抗以及带宽）都对探头的整体特性产生极大的影响。例如，探头的等效阻抗是其输入频率的函数。图2揭示了探头的这种效应。

图2 探头等效阻抗是输入频率的函数。探头的动态特性使它们适合于不同的应用。表2给出了不同类型的信号及相适应的典型探头

高阻探头

a.概述

高阻（Hi-Z）探头是常用的示波器探头。它具有10：1 （X10）和100：1（X100）的衰减系数和350MHz的带宽。

表2 常用的探头类型以及其应用

必须指出，对于带宽为350MHz的高阻探头，其信号的输入频率一般小于50MHz。由于负载电容效应，这些探头表现出糟糕的高频特性。如图3所示，考虑典型的X10探头。

图3：典型的X10，高阻探头

300MHz带宽示波器的输入阻抗包含1Mohm的电阻和15pF的并联电容。使用同轴电缆和X1探头直接连接示波器和待测电路意味着增加了额外的容性负载。对于同轴电缆，约

50pF/m.输入的总电容为65pF。示波器的输入阻抗以R2和C2表示。示波器和电缆的电容以C2表示。高阻抗探头串连一个大电阻R1隔离示波器和待测电路。R1和R2组成了一个分压电路。示波器的输入电阻为1Mohm，对于X10 probe，R1为9Mohm, 对于X100 probe, R1为99Mohm。C1为可调电容，调节C1的值，使R1C1的乘积等于R2C2。通过补偿探头，使得探头在所有频率都有相同的衰减值。因此，在使用高阻无源探头前，需要利用1kHz的方波来调节C1，以获得最优的补偿值。典型的X10探头的输入阻抗具有10M的电阻和15pF 的并联电容。15pF电容部分的来源于C1和C2，部分的来源与探头针到地的寄生电容Ctrip。

如前所述，高阻探头适用于信号频率低于50MHz的场合。这些探头相对便宜，因为它们只使用无源器件。另外，他们有非常宽的动态范围。其最小电压幅度取决于探头的衰减因子和示波器的垂直灵敏度。衰减因子为高电压输入信号提供了便利，如10：1衰减无源探头支持最高600V输入电压。同时，这些探头提供许多种附件，如可变长度电缆选件、各种探头前端、适配器、连接地线。

b.高阻探头如何影响测量

图4计算带宽和上升时间的测量系统

当示波器被用来测量电路或器件，需要估计测量仪器如何影响待测电路。大多数情况下，可以建立示波器的输入模型（包括探头），并量化负载效应和信号偏差。测试人员关于待测电路的知识加上示波器厂家提供的仪器和探头的规格书，可以建立整个测试系统的模型。考虑测试系统的简化模型，如图4所示。示波器和高阻探头被简化为等效并联RC电路。同样的，待测电路可以被简化为戴维宁等效模型。如果待测电路的源电阻，Rs，约为50Ohm,当使用传统的10：1高阻探头，则有理由忽略探头10MOhm电阻，Ro。这样，系统的等效电路包含有串连电阻，Rs，和并联电容（该电容的值可认为是源电容Cs和探头输入电容Co之和。从这个简单的模型中，我们可以估计示波器对信号上升时间的影响。由电路分析知识可知，RC电路对应阶跃输入的响应，其上升时间Tr有如下公式:

Tr=2.2RC

如下例子提供了一些典型的参数值，可以很好的解释适用高阻探头对测量结果带来的影响。

如：Rs=50Ohm，Cs=9pF，Co=15pF

则信号源的上升时间Trs为：

Trs=2.2（50）（9 10-12）=1ns

信号源和整个系统的上升时间tros为：

Tros=2.2（50）（24 10-12）=2.6ns

由于探头带来的额外的电容效应，使得系统的上升时间增加了160% 。额外的电容效应同样也会使负载增加，尤其在高频时候。负载阻抗的容性部分与频率成反比，如下面公式所示：

在这里，容性阻抗Xc（单位Ohm）同频率f（单位Hertz）和电容C（单位Farads）的积成反比。利用之前的例子做一个简单计算可知，当频率为100KMHz时候，24pf电容将增加的负载阻抗为: