!!!示波器探头基础系列(之一、二、三、四).doc

示波器探头基础系列（之一、二、三、四）（转载）作为-名》业的硬件设计及测试工程师，我们每天都在使用各种不同的数字示波器进 行相关电气信号杲的杲测与这些示波器相配的探头种类也非常多，包括无源探头（包 括高压探头，传输线探头）、有源探头（包括有源单端探头、有源差分探头等），电流 探头、光探头等每种探头各有其优缺点，I大||何各有其适用的场合其中，有源探头 因具有带宽高，输入电容小，地环路小等优点从|佃被广泛使用在高速数字量测领域， 但有源探头的价位高，动态范围小，静电敏感，校准麻烦，因此，每个工程师使用示 波器的入门级探头通帘是无源探头最常见的500Mhz的无源电圧探头适用于一般的 电路测量和快速诊断，可以满足大多数的低速数字信号、TV、电源和其它的一吐典型 的示波器应用木文我们将集中讨论无源电爪探头的模型和参数设定以及使用校准原 理一、10倍无源探头的模型以及输入负载设定SCOPE PANEL图1.探头原理图图1是工程师常用的10倍无源电压探头的原理图，其中，Rp（9MQ）和Cp位于探头 尖端内，Rp为探头输入阻抗,Cp为探头输入电容,R1 （1 MQ）衣示示波器的输入阻抗, C1表示示波器的输入电容和同轴电缆等效电容以及探头补偿箱电容的组合值。

为了精 确地测量，两个RC时间曲量（RpCp和R1C1）必须相等；任何不平衡都会带来测量 波形的失真，从來引起使-吐参数如上升吋间、幅度的测量结果不准确因此，在测彊 前需要校准示波器的探头的工作以保证测廣结果的准确性从探头的信号模型我们可 以分析，对于信号的DC彊测，输入容性Cp和C1等效为开路信号通过Rp和R1 进行分压，最终示波器的输入为：Vout=[R1/Rp+R1 ]*Vin=1/10* Vin示波器输入信号衰减为待测输入信号的1/103对于较高频率的输入信号，容抗对于信号 的影响会大于阻抗例如，…个标准的1MQ-10pF的无源电爪探头，输入信号的频率 为100MHz,此时，探头输入容抗为Xc（Cp） = 1/ （2xTTxfxC） =159Q,容抗远远小于 9MQ的探头阻抗，信号电流更多的会通过输入电容提供的低阻冋路，9MQ阻抗的高 阻冋路等效为旁路也町以理解为159 Q和9MQ的并联之后等效阻抗为159 此时，实际输入到示波器的信号幅度（AC/高频）是山探头的输入电容以及冋路总电容的比 值决定，等效为：Vout=[Cp/Cp+C1]*Vin-般来说，无源探头的电缆存在8-10pF/foot的容性负载（1 foot英尺=12 inches英 寸=0.3048 metre米），1.5nS/foot的上升时间。

对于一个6feet的电缆就存在60pF 容性，加上一般示波器的20pF的输入电容以及一些杂散，大致为90pF左右根据1： 10的分压，探头的输入电容应该为10pF左右才能满足Vout/Vin=[10/10+90]=1/10输 入衰减10倍的特性考虑到探头和电缆容性的•吐谋差,需要使用探头补偿电容箱來 进行•个冋路补偿，山于误差，无源电床探头的输入容性 般为8~12pFZ间目前 主流的10倍无源电压探头的输入负载模型 般都是输入电容8-12pF,输入电阻9M二、无源电压探头的校准讨论到这里，对于无源探头的输入模型大家应该有了…定的了解，那为什么为了精确地 测量，两个RC吋间常量（RpCp和R1C1）必须相等，测暈前需要校准呢？我们可以再 进一步简化探头模型为一个更简单的阻容分压电路如下：让我们来进行一个简单的推导计算：1 •计算初始值uC2（0+）山于电容电压发生跃变，要根据电荷守恒定律和KVL來确定—q 以鈕（0+）+6*2他2（2（0-）= 0以 Cl（0+）+ 以 02（ 42计算稳态uC2（¥）电容开路吋，按照电阻分爪公式得到3•计算时间常数R也R\+Rq(G + G)4.用三要素公式得到电容电圧uC2(t)我们可以看到，波形有3种情况:1.完全补偿q+ c2 Us~2过补偿R3叽羔罟s>3 •欠补偿Z6悬从希耳以下图示给出了欠补偿、过补偿和合理补偿三种情况下探头产工的波形。

探头欠补偿波形图探头过补偿说明图探头止常'补偿说明图所以，在获得…台町以工作的示波器和探头后应该要做的第一项工作是校准探头以保 证英内部RC时间常杲匹配这时需要将探头连接到示波器的探头补偿输出然后使 用非磁性调节工具调节补偿箱中的调节螺螺丝完成校准…市观察到平坦的波形响应 不要太频繁校准，因为没有必要木文关于无源电爪探头模型的参数设定以及校准的原理就介绍到这里，而对于示波器 和探头以及数字测量在业内有很多的经典理论以及应用原则，比如信号的滚降特 性,DSP信号滤波的处理如何确保瑕真实的述原待测信号，大家川以参阅更多专业的 书籍希望本文的介绍对以让硬件I】程师们更深入和全而的了解我们的测真 止做到还原真实信号示波器探头基础系列之二探头的共有特性概述数字示波器是电子匚程师使用最广泛的•种测试测呆仪器，从测试系统的角度来看， 数字示波器系统包括主机和探头两主耍纽成部分，示波器探头与丄机的关系就好比汽车与轮子，汽车车身通过轮子才能接触到地而，才能发挥行驶的功能，示波器主机也 是通过探头才能接触到信号，才能执行信号采集与测试的功能缺少轮子的汽车就是 一堆废铁，没有探头的示波器也只能是个摆设示波器探头不仅仅是把测试信号送进 示波器输入端的•根导线，而口是仪器系统的重要纽成部分。

根据特性和应用场合的 不同，探头口J以分成很多类型号，以适应各种不同信号测试的需要英中- •类称为有 源探头，其内部包含有源电了元件（主要是晶体管）可以提供信号放大能力，不含有 源器件的探头称为无源探头，其中只包含无源器件如电阻电容等这类探头通當只能 对信号进行衰减我们可以继续将有源和无源探头分成更方门的类别型号，我将通过 系列文章来介绍每种探头的工作原理、应用场合和使用注意事项首先是阐述所有类型探头共有的一些特性探头屏蔽工程师赋沖示波器探头的•个重要使命就是确保只有希望观测的信号才能通过它 显示在示波器屏幕上，如果我们仅仅使用 根导线來代替探头，那它的作用就好彖是 一根天线，可以从无线广播，移动、电机、50或60Hz的电源的交流声其至当地 业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的丁扰信号，这些噪芦其至还能反向注入到 被测电路中使信号发生畸变，所以我们首先需要的是能够提供屏蔽功能的电缆，良好 设计的示波器探头的屏蔽电缆通过探头尖端的接地线和被测电路连接，从而保证了很 好的噪声抑制性能探头带宽大家都了解示波器通道带宽的定义，输入止弦波信号幅度被降低到-3dB（O.7O7倍） 时对应的频率即对应示波器模拟带宽这个指标，决沱这个指标的是前端放大器件的性 能。

同样探头也具有有限的模拟带宽如果把示波器作为一个系统來考察，其总体带 宽山主机带宽和探头带宽共同决定，更专业的数学公式表明了这种关联性：t = 0.35* h W或若 BW二也鱼r(DISPLAYED)='A/t心波屛+ /（探头$ + &源信号$BW (-3 dB)BW图1探头带宽相关公式以上公式中，Tr（display）^示实际测量到的信号上升时间，等于示波器上升时间、 探头上升时间和源信号上升时间的正交和而系统的上升时间与带宽的乘积为-常数, 对系统函数为1阶的模型而言，该常数经验值为0.35,对于更高阶的模型该常数介于 0.35 - 0.5之间我们可以推导出这四者带宽Z间的关系从以上公式我们还可以推 导出：如果我们使用一台100MHz的示波器和一个100MHz的探头，那么它们组成的系统带宽就小于100MHz,内在的因索是因为探头的电容和示波器的输入电容相加， 更大的电容导致更小的系统带宽，加人了显示在示波器屏幕上信号的上升时间tro 继续讨论：tr(ns)=350/BW(MHz)如果示波器和探头各白均为100MHz带宽，其上升时间均为tu3.5ns则有效系 统上升时间就山下式给出：trsysteni=sqr(t2rscope+t2rprobe)=sqr(3.52+3.52)ns=sqr(24.5)2ns=4.95ns根据4.95ns的系统上升时间求得，系统带宽为350/4.95MHz=70.7MHzo从上述的计算可以看出，探头带宽比示波器主机带宽越高，幣个系统带宽就越接 近主机带宽，所以力科公司推荐用户应配备尽可能高带宽探头，以提升整个测试系统 带宽。

示波器探头负载效应当我们进行信号测呆吋，我们常常以为测得的电爪和电路中未连入示波器时是完 全一样的，实际则不然打个比方，我们用温度计去度量火焰的温度，温度计未靠近 时火焰温度50摄氏度，靠近后温度计耍从火焰中汲取热量，自身温度升高血火焰温度 降低为49度，温度计反映出來的温度值就为49度，很明显有1度的测量误差，这个 误差正是因为引入测量系统后带來的实际上，每个示波器探头都有英输入阻抗，这个阻抗是特性阻抗，不仅是因为电 阻造成的，还包含了电容和电感等I大I素山于探头引入的额外负载，所以探头接入被 测电路后，会从信号中汲取能彊，实际上就会影响被测电路，垠恶劣的后果就是电路 本来是止常工作的，引入示波器探头后却不止常了，工程师就容易得出与事实相反的 结论因此我们分析测笊结果时必须考虑探头的负载特性以及测试电路的阻抗匹配性有些示波器探头里没有串联的电阻，这类探头主要就山一•段电缆和一个测试头构 成，因此，在其有用带宽之内，探头对信号没有衰减作用这类探头称为1： 1或XI 探头山于这类探头在测试点处将其自身的电容(包括电缆的电容)与示波器的输入 阻抗连在了一起，所以这种探头具有负载效应被浏电路| \ |探头| \ |示波器探头尖0探头电虢8-10pF/ftA1.5 ns/ft—-TJPF20P图2 XI探头结构模型当信号频率升高时，探头的容性负载效应就变得更加显著。

山于电缆的类型和长 度的不同以及探头本身构造等原因，1： 1探头的输入电容通殆町以从大约35pF到lOOpF 以上，这等于给被测电路施加了一个低阻抗负载，具有47pF输入电容1： 1探头在 20MHz之下的电抗仅为169W,这就使得这个探头在此频率无法使用我们可以在探头中增加 个和示波器输入阻抗相串联的阻抗，用这种办法就可以 减小探头的负载效应然而，这就意味着输入电汗•不能完全加到示波器的输入端，因 为我们现在已经引入了一个电阻分压结构图3给出了电阻分压的探头等效电路，Rp和Rs构成了- •个10： 1的分压器，Rs 为示波器的输入阻抗调节补偿电容C3使得探头和示波器通道RC乘积和匹配，这样 就能保证在探头的尖端获得止确的频率响应曲线，并口这种探头的频率响应比1： 1探 头频率响应要宽得多C1图3 10： 1无源探头结构模型示波器探头最大输入电压多数通用10： 1探头的构造使这些探头适合于最大输入电压为峰值300V或400V 的情况下使用，所以这些探头可以用于信号电平高达数百伏的广泛的应用场合，对于 需要测量更高电床的场面合，我们推荐使用。