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示波器探頭基礎入門指南(上)

作者：聶文偉

Oscilloscope.China@rohde-schwarz.com，

“ScopeArt先生”團隊成員

示波器探頭是示波器使用過程中不可或缺的一部分，它主要是作為承載信號傳輸?shù)逆溌罚瑢⒋郎y信號完整可靠的傳輸至示波器，以進一步進行測量分析。很多工程師很看重示波器的選擇，卻容易忽略對示波器探頭的甄別。試想如果信號經(jīng)過前端探頭就已經(jīng)失真，那再**的示波器所測得的數(shù)據(jù)也會有誤。所以正確了解探頭性能，有效規(guī)避探頭使用誤區(qū)對我們?nèi)粘Ｊ褂檬静ㄆ鱽碚f至關(guān)重要！

在絕大多數(shù)示波器測量環(huán)境下，我們都需要使用探頭。示波器探頭有很多種，內(nèi)部原理構(gòu)造迥異，使用方法也各不相同。本文主要給大家介紹示波器探頭的種類及工作原理，探頭使用過程注意事項以及如何選擇示波器探頭。

1 示波器探頭種類及工作原理

對于DC直流或一般低頻信號而言，示波器探頭只是一個由特定阻抗R所形成的一段傳輸線纜。而隨著待測信號頻率的增加和不規(guī)則性，示波器探頭在測量過程中會引入寄生電容C以及電感L，寄生電容會衰減信號的高頻成分，使信號的上升沿變緩。寄生電感則會與寄生電容一起構(gòu)成諧振回路，使信號產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。所有這些都會對我們測量信號的準確性帶來挑戰(zhàn)。

圖1 探頭電氣特性示意圖

示波器探頭按供電方式分可分為無源探頭和有源探頭。無源探頭又分為無源低壓、無源高壓及低阻傳輸線探頭等，有源探頭又分為有源單端、有源差分、高壓差分探頭等。此外，在一些特殊應用下，還會使用到電流探頭（AC、DC）、近場探頭、邏輯探頭以及各類傳感器（光、溫度、振動）探頭等。

無源探頭是*常用的一類電壓探頭，也是我們在購買示波器時標配贈送的探頭。如圖2所示。

圖2 無源探頭示意圖

無源探頭一般使用通用型BNC接口與示波器相連，所以大多數(shù)廠家的無源探頭可以在不同品牌的示波器上通用（某些廠家特殊接口標準的探頭除外），但由于示波器一般無法自動識別其他品牌的探頭類型，所以此時需要手動在示波器上設置探頭衰減比，以保證示波器在測量時正確補償探頭帶來的信號衰減。

圖3所示為日常*為常見的一類無源探頭原理示意圖，它由輸入阻抗Rprobe、寄生電容Cprobe、傳輸導線（一般1至1.5米左右）、可調(diào)補償電容Ccomp組成。此類無源探頭一般輸入阻抗為10M?，衰減比因子為10：1。

圖3無源探頭原理圖

在使用此類探頭時，示波器的輸入阻抗會自動設置為高阻1M?。此時示波器BNC通道輸入點的電壓Vscope與探頭前端所探測的電壓值Vprobe的關(guān)系滿足以下對應關(guān)系：

Vprobe/Vscope = (9M? + 1M?) / 1M? = 10 : 1

由關(guān)系式可知，示波器得到的電壓是探頭探測到電壓的十分之一，這也是無源探頭10：1衰減因子的由來。無源探頭具備高阻抗10M?，因此它對待測電路的負載效應（將在**部分詳述）很小，能覆蓋一般低頻頻段（500MHz以內(nèi)），耐壓能力強（300V-400Vrms），價格便宜，通用性好，所以得到廣泛使用。

當無源探頭的衰減因子為100：1、1000：1甚至更高時，此類探頭一般歸類為無源高壓探頭。由于其衰減比很大，因此能測量高壓、超高壓電信號。

圖4 R&S RT-ZH10高壓探頭

還有一類無源探頭，其衰減比為1：1，信號未經(jīng)衰減直接經(jīng)過探頭傳輸至示波器，其耐壓能力不及其它無源探頭，但它具備測試小信號的優(yōu)勢。由于不像10：1衰減比探頭那樣信號需要示波器再放大10倍顯示，所以示波器內(nèi)部噪聲未放大，測量噪聲更小，此類更適用于測試小信號或電源紋波噪聲。

圖5 R&S HZ-154 1:1/10:1可調(diào)衰減比無源探頭

無源傳輸線探頭是另一類特殊的無源探頭，其特點是輸入阻抗相對較低，一般為幾百歐姆，支持帶寬更高，可達數(shù)GHz以上。圖6為輸入阻抗為500?的10：1無源傳輸線探頭原理圖：

圖6傳輸線探頭原理圖

傳輸線探頭具備低寄生電容，低輸入阻抗的特性，一般用來測量高頻信號。在使用傳輸線探頭時應該注意將示波器輸入阻抗設置為50?，以與傳輸線50?阻抗相匹配，傳輸線探頭的典型應用為測量50?傳輸線上的電信號，通過SMA-N等不同的轉(zhuǎn)換接頭，傳輸線探頭也可用在頻譜分析儀等其它測試設備上。
圖7傳輸線探頭的典型應用

需要注意的是，由于傳輸線探頭的低阻抗，它的負載效應會比較明顯。因此，此類探頭僅適用于與低輸出阻抗（幾十至100歐姆）的電路測試。對于更高輸出阻抗的電路，我們可以選擇使用高阻有源探頭的方案，將在后續(xù)詳述。

圖8 R&S RT-ZZ80 8.0GHz無源傳輸線探頭

介紹完無源探頭，我們接下來看看有源探頭。顧名思義，有源探頭區(qū)別于無源探頭*大的特點是“有源”，即它需要提供電源才能工作。如今大多數(shù)有源探頭都配備有特殊借口，通過與示波器連接從示波器獲得電源，而不需要額外提供外置電源（某些型號除外）。下圖所示為有源單端探頭原理圖：

圖9 有源單端探頭原理圖

有源單端探頭一般具備高阻抗（1M?上下），低寄生電容。其前端有一個高帶寬的放大器，有源探頭的供電主要用于此放大器。放大器驅(qū)動信號經(jīng)過50?傳輸線到達示波器，示波器的輸入阻抗需選擇為50?作匹配。由于其較低的寄生電容和50歐姆傳輸，有源單端探頭可以提供比無源探頭更高的帶寬，因此主要應用在高頻信號的測量領(lǐng)域。

優(yōu)點和缺點往往是并存的，有源單端探頭亦是如此。能夠測量更高帶寬的信號是其優(yōu)點，但由于要集成有源放大器，因而其成本相對于無源探頭來說更高，一個幾GHz帶寬的有源單端探頭價格可達數(shù)萬人民幣。除此之外，由于高帶寬放大器的信號輸入范圍十分有限，因而其動態(tài)范圍有限，一般有源單端探頭的動態(tài)范圍僅在幾伏范圍之內(nèi)，探頭所能承受的*大電壓也只有幾十伏。

相對于前面所說的無源傳輸線探頭，有源單端探頭同樣可以應用在低阻抗高頻率信號的測量環(huán)境，且由于其輸入阻抗相對于無源傳輸線探頭更高，因此它的負載效應更小。不僅如此，R&S有源單端探頭還可以與RT-ZA9（N型轉(zhuǎn)換接頭，USB供電）附件連接，進而用在射頻信號源和頻譜分析儀上，用來測試特殊環(huán)境下的信號，如傳統(tǒng)50歐姆同軸線纜無法連接的探測點處，或者需要使用高阻探頭探測待測點信號頻譜時。
圖10 R&S RT-ZS系列單端有源探頭與RT-ZA9 N型轉(zhuǎn)換頭相連

除了有源單端探頭之外，有源差分探頭是另外一類重要的有源探頭。我們可以從字面上來理解這兩種探頭的區(qū)別，有源單端的前端有兩處連接點：信號點和地。有源差分顧名思義主要用來測試差分信號，探頭前端有三處連接點：信號正、信號負、地。

圖11 有源單端探頭前端（左）與有源差分探頭前端（右）

有源差分探頭的原理圖如下：
圖12有源差分探頭原理圖

與有源單端探頭相比，其*大不同在于使用了差分放大器。有源差分探頭同樣具備低寄生電容和高帶寬特性，所不同的是，有源差分探頭具有高共模抑制比（CMRR），對共模噪聲的抑制能力比較強。有源差分探頭主要用來測試差分信號，即測試兩路信號（一般為相位相差180度的正反信號）的相對電壓差，與地無關(guān)。

圖13差分信號測試原理示意圖

上圖顯示了用有源差分探頭測試差分信號的原理，圖中紅色波形顯示的為差分信號Vin+，藍色波形顯示為差分信號Vin-，二者幅度相同，相位相差180度。Vin+和Vin-經(jīng)由差分探頭正、負探測點探測后經(jīng)過差分放大器放大，然后傳輸至示波器，*后得到如圖綠色差分波形。

這里要介紹幾個概念，以便大家能夠更好的理解共模抑制比CMRR。

共模（Common Mode）：差分信號兩端具有相同幅度和相位的信號成分，用表達式表示為Vcm =（Vin+ + Vin-）/2.

由于理想的Vin+、Vin-幅度相同，相位相反，所以二者相加應該為零。但在實際工作環(huán)境下，Vin+、Vin-上會疊加上噪聲干擾Vnoise。由于Vin+、Vin-所處環(huán)境相同，因而在二者上疊加的噪聲也往往相同，所以由CM表達式可知：CM = Vnoise.

差模（Differential Mode）：差分信號兩端不同的信號成分，用表達式表示為Vdm = Vin+ -Vin-.

共模抑制（Common Mode Rejection）：差分放大器對共模信號的抑制能力，即差分放大器的一項主要能力是對Vnoise進行抑制消除。如果共模電壓Vcm經(jīng)過差分放大器的增益為Acm，差模電壓Vdm經(jīng)過差分放大器的增益為Adm，則我們可以用共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio）即CMRR來表示共模抑制能力，其表達式為：

CMRR = Adm / Acm

舉例如下圖：差模信號Vdm幅度為1V，經(jīng)過差分放大器后幅度仍然為1V，即Adm = 1. 共模信號Vcm幅度為4.5V，經(jīng)過差分放大器后幅度抑制為0.45V，即Acm=0.1. 因此，CMRR = 1 / 0.1 = 10：1 = 20dB。
圖14 差分信號測試舉例

對于理想的差分放大器而言，我們希望其完全抑制共模信號，從而消除噪聲Vnoise對差分信號測量的影響。對于一般的差分信號測量而言，20dB的CMRR已經(jīng)足夠，而R&S RT-ZD40的CMRR可達50dB，性能非常優(yōu)異。

圖15 R&S RT-ZD40有源差分探頭

值得一提的是，R&S的有源單端探頭和有源差分探頭上都配備了MicroButton多功能按鈕和ProbeMeter探頭計功能。其中，MicroButton是位于有源探頭前段的一個微型按鈕，用戶可以在測試時很方便的按動按鈕，從而執(zhí)行對示波器的特定控制（可自定義），如：自動設置、默認設

置、單次運行、連續(xù)運行等。
圖16 MicroButton多功能按鈕

ProbeMeter則是集成在有源探頭前端的16位DC電壓計，可用來直接在探頭點處測試直流電壓，這與其他廠家使用探頭捕獲波形然后輸送到示波器，進而對波形進行測量得到DC數(shù)值的方案完全不同。很顯然，ProbeMeter摒除了探頭傳輸?shù)氖д嬗绊懀瑥亩邆淞?.1%的高精準度。在使用差分探頭時，可以借助此功能方便快捷查看單端、共模、差模電壓數(shù)值。

圖17 ProbeMeter探頭電壓計

有源差分探頭可用于絕大多數(shù)較小幅度差分信號的測量，但對于幅度達上百甚至上千幅的高壓差分信號而言，有源查分探頭就顯得力不從心了。此時我們只能借助于高壓差分探頭的幫忙，相對于一般差分探頭而言，高壓差分探頭具有更高的動態(tài)范圍，能夠承受更高的電壓。
圖18 R&S RT-ZD01 ±1400V 高壓差分探頭

高壓差分探頭相對于無源高壓探頭而言價格昂貴，因此有用戶在測試高壓差分信號時會選擇將示波器的電源接地線剪斷，使示波器“浮起來”進行測試，這是非常危險的，一定要杜絕此類行為。我們將在**部分詳細說明。

電流探頭嚴格意義上說也屬于有源探頭的一種，幾乎所有的電流探頭在使用過程中都需要供電。

電流探頭主要分為三類：AC（僅能測試交流電）、DC（僅能測試直流電）、AC+DC。而目前大多數(shù)電流探頭都具備了AC+DC的測量功能。

電流探頭的原理如下，主要是利用電磁效應（AC測量）和霍爾效應（DC測量）。

圖19 AC+DC電流探頭原理圖

當有AC電流經(jīng)過導線穿過電流探頭的前段閉合鉗口時，會有相應磁場產(chǎn)生，通過磁場的強弱直接感應到電流探頭的線圈。探頭就象一個電流變壓器，系統(tǒng)直接測量的是感應電流。

如果是DC或者低頻電流，當電流鉗閉合后，電流導線附近會出現(xiàn)一個磁場。磁場使霍爾傳感器內(nèi)的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在霍爾傳感器的輸出產(chǎn)生一個電壓。系統(tǒng)根據(jù)這個電壓產(chǎn)生一個反相（補償）電流至電流探頭的線圈，使電流鉗中的磁場為零，防止磁飽和。系統(tǒng)根據(jù)反相電流測得實際得電流值。

電流探頭的選擇主要依據(jù)其測量帶寬、量程以及鉗口直徑等。

MSO數(shù)字邏輯探頭在數(shù)字邏輯測試中會經(jīng)常使用，與一般8bit模擬探頭相比，數(shù)字邏輯探頭根據(jù)示波器所設置的判決門線電平，將捕獲的電壓按照0、1跳變（1bit）的數(shù)字信號在屏幕上顯示出來。用戶可以根據(jù)多路數(shù)字信號的邏輯電平及關(guān)系來判斷邏輯電路的性能。
圖20 R&S RTO-B1數(shù)字邏輯探頭