探头问题大汇总：示波器测不准的看这里！
时间：2020-10-19 16:22:18
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[导读]示波器是工程师的案头必备工具，看波形，调BUG都离不了，而探头是必不可少的配件，如果用不好，甚至会严重影响测量结果。
示波器是工程师的案头必备工具，看波形，调BUG都离不了，而探头是必不可少的配件，如果用不好，甚至会严重影响测量结果。
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。
二、探头的类型
示波器探头大的方面可以分为： 无源探头和有源探头两大类。 无源有源顾名思义就是需不需要给探头供电。
无源探头细分如下：
2. 带补偿的高阻无源探头（最常用的无源探头）；
3. 高压探头
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和有源探头简单对比如下：
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。
三、有源探头
我们先来观察一下用600MHz无源探头和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，探头通道显示的是绿色的波形。 然后分别测试上升时间，可以看出无源探头和有源探头对高速信号的影响。
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； 探头通道显示的波形存在振铃，上升时间为： 1.85ns;
使用1156A 1.5GHz有源探头，使用5cm接地线： 受探头负载的影响较小，上升时间仍为： 1ns； 探头通道显示的波形与原始信号一致，上升时间仍为： 1ns。
单端有源探头结构图如下，使用放大器实现阻抗变换的目的。 单端有源探头的输入阻抗较高（一般达100Kohm以上），而输入电容较小（一般小于1pf)，通过探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用50ohm输入阻抗。 有源探头带宽宽（现在可达30GHz），而负载小，但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右)，动态范围较小（这个需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试。 一般动态范围5V左右），比较脆弱，使用需小心。
差分探头适合测试高速差分信号（测试时不用接地），适合放大器测试，电源测试，适合虚地测试等应用。
电流探头在测试直流和低频交流时的工作原理：
当电流钳闭合，把一通有电流的导体围在中心时，响应地会出现一个磁场。 这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电动势。 电流探头根据这个电动势产生一个反向（补偿）电流送至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，以防止饱和。 电流探头根据反向电流测得实际的电流值。 用这个方法，能够非常线性的测量大电流，包括交直流混合的电流。
随着被测电流频率的增加，霍尔效应逐渐减弱，当测量一个不含直流成分的高频交流电流时，大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。 此时，探头就像一个电流变压器，电流探头直接测量的是感应电流，而不是补偿电流，功放的输出为线圈提供一个低阻抗的接地回路。
当电流探头工作在20KHz的高低频交叉区域时，部分测量是通过霍尔传感器实现的，另一部分是通过线圈实现的。
四、有源探头附件
现代的高带宽有源探头都采用分离式的设计方法，即： 探头放大器与探头附件部分分开。 这样设计的好处是：
1、支持更多的探头附件，使得探测更加的灵活；
2、保护投资，最贵的是探头放大器（一个探头放大器可以支持多种探测方式，以前需要几个探头来实现）； 同时探头附件保护探头放大器（探头附件即使损坏，价格也相对便宜）；
3、这种设计方式容易实现高带宽。
1、点测探头附件（包括： 单端点测和差分点测）；
2、焊接探头附件（包括： 单端焊接和差分焊接，分离式的ZIF焊接）；
3、插孔探头附件；
4、差分SMA探头附件（示波器一般直接支持SMA连接，但是如果被测信号需要上拉如HDMI，则必须使用SMA探头附件）。
探头附件的电路结构如下图所示：
1、在探头附件尖端部分会有一对阻尼电阻（一般82ohm），这对阻尼电阻的作用是消除探头附件尖端部分的电感的谐振影响；
2、探头尖端部分的后面是25Kohm的电阻，这个电阻决定了探头的输入阻抗（直流输入阻抗即电阻： 单端25Kohm，差分50Kohm），这个电阻使得被测信号传输到探头放大器部分的功率是非常小的，不至于对被测信号有较大影响。
3、25Kohm的电阻后面是同轴传输线部分，这个传输线负责把小信号传输到放大器。 这个传输线的长度可以很长，也可以很短，中间可以加衰减器，也可以加耦合电容。
4、同轴传输线连接到放大器，放大器是50ohm匹配的（差分100ohm匹配）。
五、探头及附件准确度验证
下图是一个例子： 被测信号是一个频率456MHz，边沿时间约65ps的时钟信号，分别使用不同类型的探头和探头附件的测试结果。
A图是使用12GHz的1169A差分探头和N5381A 12GHz焊接探头附件的测试结果，几乎完全复现被测信号；
C图是使用12GHz的1169A差分探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号出现很大的过冲；
D图是使用4GHz的1158A单端探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号几乎是正弦波，失真较大。
验证探头和探头附件需要使用一台脉冲码型发生器（如:81134A，3.35GHz速率，60ps边沿的脉冲码型发生器），如果示波器自带高速信号输出功能，也可以使用示波器的这个辅助输出口代替脉冲码型发生器（如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以发一个高速时钟： 456MHz频率，约65ps边沿）。 另外，需要同轴电缆和测试夹具（Infiniium示波器配置的探头校准夹具可以作为探头和探头附件验证测试夹具）。 测试夹具的外表是地(Ground)，里面走线是信号(Signal)，如下图所示。 使用时，通过同轴电缆把一端接到脉冲码型发生器或示波器的辅助输出AUX OUT端口，另外一端通过适配器连接到示波器的通道1上。
1、如果探头不接触信号线，则屏幕上会出现一个原始波形，存为参考波形；
2、当用探头探测信号线时，通道1的波形会发生变化，这个变化后的波形就是被探头和探头附件影响后的被测信号；
3、这时，连接探头的通道2会出现一个波形，这个波形是探头测试到的波形；
4、通过对比参考波形，通道1的波形，和连接探头的通道2的波形，就可以直观的看出或通过测试参数读出三者的差别，可以验证探头和探头附件的影响。
END
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