文档介绍：示波器探头原理
示波器因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围,使得示波器可以在线测试与分析被测电子电路,如下图:
图1  示波器探头的作用
       探头的选择与使用需要考虑如下两个方面:
      其一:因为探头有负载效应,探头会直接影响被测信号与被测电路;
      其二:探头就是整个示波器测量系统的一部分,会直接影响仪器的信号保真度与测试结果
一、探头的负载效应
    当探头探测到被测电路后,探头成为了被测电路的一部分。探头的负载效应包括下面3部分:
    1、阻性负载效应;
    2、容性负载效应;
    3、感性负载效应。
图2  探头的负载效应
    阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻,对被测信号有分压的作用,影响被测信号的幅度与直流偏置。有时,加上探头时,有故障的电路可能变得正常了。一般推荐探头的电阻R>10倍被测源电阻,以维持小于10%的幅度误差。
图3   探头的阻性负载
    容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容,对被测信号有滤波的作用,影响被测信号的上升下降时间,影响传输延迟,影响传输互连通道的带宽。有时,加上探头时,有故障的电路变得正常了,这个电容效应起到了关键的作用。一般推荐使用电容负载尽量小的探头,以减小对被测信号边沿的影响。
图4   探头的容性负载
    感性负载来源于探头地线的电感效应,这地线电感会与容性负载与阻性负载形成谐振,从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃,需要检查确认就是被测信号的真实特征还就是由于接地线引起的振铃,检查确认的方法就是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的地线,一般地线电感=1nH/mm。
图5   探头的感性负载
二、探头的类型
    示波器探头大的方面可以分为:无源探头与有源探头两大类。无源有源顾名思义就就是需不需要给探头供电。
    无源探头细分如下:
         1、低阻电阻分压探头;
         2、 带补偿的高阻无源探头(最常用的无源探头);
         3、高压探头
  
    有源探头细分如下:
         1、单端有源探头;
         2、差分探头;
         3、电流探头
    最常用的高阻无源探头与有源探头简单对比如下:
 
表1  有源探头与无源探头对比
      低阻电阻分压探头具备较低的电容负载(<1pf),较高的带宽(>1、5GHz),较低的价格,但就是电阻负载非常大,一般只有500ohm或1Kohm,所以只适合测试低源阻抗的电路,或只关注时间参数测试的电路。
图6  低输入电阻探头结构
     带补偿的高阻无源探头就是最常用的无源探头,一般示波器标配的探头都就是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻(一般1Mohm以上),可调的补偿电容,以匹配示波器的输入,具备较高的动态范围,可以测试较大幅度的信号(几十幅以上),价格也较低。但就是不知之处就是输入电容过大(一般10pf以上),带宽较低(一般500MHz以内)。
图7  常用的无源探头结构
     带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容,当接上示波器时,一般需要调整电容值(需要使用探头自带的小螺丝刀来调整,调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置),以与示波器输入电容匹配,以消除低频或高频增益。下图的左边就是存在高频或低频增益,调整后的补偿信号显示波形如下图的右边所示。
图8  无源探头的补偿
    高压探头就是带补偿的无源探头的基础上,增大输入电阻,使得衰减加大(如:100:1或1000:1等)。因为需要使用耐高压的元器件,所以高压探头一般物理尺寸较大。
图9   高压探头的结构
三、有源探头
    我们先来观察一下用600MHz无源探头与1、5GHz有源探头测试1ns上升时间阶跃信号的影响。使用脉冲发生器产生一个1ns的阶跃信号,通过测试夹具后,使用SMA电缆直接连接到一个1、5GHz带宽的示波器上,这样示波器上会显示一个波形(如下图中的兰色信号),把这个波形存为参考波形。然后使用探头点测测试夹具去探测被测信号,通过SMA直连的波形因为受探头负载的影响而变成黄色的波形,探头通道显示的就是绿色的波形。然后分别测试上升时间,可以瞧出无源探头与有源探头对高速信号的影响。
图10   无源探头与有源探头对被测信号与测量结果的影响
    具体测试结果如下:
    使用1165A 600MHz无源探头,使用鳄鱼嘴接地线:受探头负载的影响,上升时间变为:1、9ns;探头通道显示的波