示波器的探头原理

“ 第三篇主要讲解示波器的探头原理，以及探头对测量的影响。”

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探头的寄生参数

探头是介于被测信号和示波器之间的中间环节，如果信号在探头处已经失真了，那么示波器做得再好也没有用。500MHz的无源探头本身上升时间约为700ps，通过这个探头测试一个上升时间为530ps的信号，即使不考虑示波器的带宽影响，经过探头后的信号上升时间已经变为860ps。

图1. 探头带宽对上升时间测量的影响

探头对测试的影响，包括两部分：探头对被测电路的影响以及探头本身造成的信号失真。为了考量探头对测量的影响，通常可以把探头输入电路简单等效为图2.所示的R，L，C的模型，进行分析。

图2. 简化的R，L，C探头模型

探头本身有输入电阻，为了尽可能减少对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe要尽可能大。Rprobel不可能无穷大，所以会与被测电路产生分压。为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求探头的输入电阻大于源阻抗以及负载阻抗的10倍以上。大部分探头输入阻抗在几十KΩ到几十MΩ之间。

探头本身还有电容，这个电容是寄生电容，是影响探头带宽的最重要因素，因为这个电容会衰减高频成分，把信号的上升沿变缓慢。一般无源探头的输入电容在10pF到几百pF之间，带宽高的有源探头输入电容在0.2pF到几pF之间。

图3.无源探头和有源探头的输入阻抗随频率变化曲线

探头输入的信号还会受到寄生电感的影响。寄生电感主要是探头和被测电路间的导线，和探头的地线形成。当电感值太大，寄生电感和寄生电容组成了谐振回路，在输入信号激励下产品高频谐振，造成信号失真。所以测试高频时需要严格控制信号和地线的长度。

图4. 探头寄生电感引起的谐振

在了解探头的结构后，还需要了解示波器的输入接口的结构，因为这是连接探头的位置，这两部分共同组成了我们的探测系统。大部分示波器输入接口采用BNC或兼容BNC的形式。很多示波器在输入端有1MΩ或50Ω可切换的匹配电阻，不同的种类的探头需要不同的匹配电阻。

从电压测量角度来说，为了减小对被测电路的影响，示波器可以用1MΩ的高输入阻抗，但高阻抗电路的带宽对寄生电容的影响很敏感。所以1MΩ输入阻抗广泛用于500MHz带宽以下的测量。对于更高频的测量，通常采用50Ω的传输线，所以需要示波器50Ω的输入电阻匹配。

图5.示波器输入端的匹配电阻

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常用探头的介绍

探头的分类：

• 高阻无源探头

无源探头是指探头内部没有需要供电的有源器件，高阻无源探头是应用最为广泛，与示波器相连时，要求示波器端的输入阻抗是1MΩ，如图6.是一个10：1的高阻无源探头的原理框图。

图6.高阻无源探头的原理

无源探头通常会有1m长的连接线，另外示波器输入端也有寄生电容，这些都会影响带宽，为了改善高频响应，高阻无源探头前端会有相应的匹配电路，最典型的就是一个Rtip和Ctip的并联结构。探头要在带内产生平坦增益的一个条件要满足RtipxCtip=RscopexCscope。一般的高阻探头在连接示波器的一端会有一个可调电容Ccomp，示波器会提供一个低频方波的输出，通过观察探头测量到的这个方波形状可以调整Ccomp的值。如图7.

图7.无源探头的补偿电路对方波测量的影响

Rprobe在改善频响的同时会和示波器输入阻抗产生一个分压，这个分压比最常见是10：1，进入示波器的电压是真实电压的1/10,信号经过探头有一个10倍的衰减。无源探头通常标配15cm长的黑色地线夹，这么长的地线由于寄生电感，在测高频信号时会产生比较大的振荡，在有开关电源的场合还会耦合很大的噪声。即使500M Hz的无源探头在使用这种地线时最多只能达到200-300M Hz的带宽。如果需要高频测量，就需要换相应的短地线。

• 低阻无源探头

低阻无源探头又称为传输线探头，其等效电路是前端串联了一个分压电阻，使用时要求示波器的输入阻抗设置为50Ω。低阻无源探头带宽较高，可以达到数G Hz。缺点是输入阻抗低，并联在电路中会改变被测电路的阻抗和分压关系。

图8.低阻无源探头的原理框图

• 有源探头

有源探头指需要供电的探头，这种探头中有专门的放大器电路，放大器需要供电，所以称为有源探头。有源探头有甚多种，例如单端有源探头，差分探头，电流探头等.

有源探头要求示波器采用50Ω的匹配方式，以保证后端的传输带宽。有源探头本身的输入阻抗还是高阻，可以1MΩ的阻抗，有源探头放大器可以尽可能靠近被测电路，信号环路小，减少了很多寄生参数，带宽可以到数G Hz。有源探头的缺点是有限的动态范围，受限于高带宽放大器正常工作的电压范围，一般有源探头动态范围在几伏以内。

单端有源探头：

图9.单端有源探头工作原理

差分探头：

差分有源探头其前端是差分放大器，好处是可以直接测量高速的差分信号，同时其共模抑制比高，对共模噪声的抑制能力比较好。差分探头分两种：高带宽的差分探头，其带宽可以达到30G Hz，动态范围小，在5V甚至2.5V以内；高压差分探头，其带宽不太高，在200M Hz以内，可测电压范围比较大，几十伏到几千伏。

图10.差分有源探头原理

霍尔元件电流探头：

示波器本身只能测量电压，要测电流时，需要把电流信号转换成电压量，常用的电流转换成电压量的方法---霍尔元件法。利用霍尔器件的磁电效应，把被测电流路径感生出的磁场转换成电压进行测量。大多示波器厂商都提供基于霍尔效应的电流探头。电流探头的前端有一个磁环，磁环套在被测电线，收集电流产生的磁场。磁环的磁通量与电流成正比，同时磁环内部有一个霍尔传感器，可以检测磁通量，其输出电压与磁通量呈正比。典型电流探头的转换系数是0.1V/A或0.01V/A。霍尔元件探头可以进行直流和交流的测量。其缺点是受限于示波器的底噪声，其小电流能力有限，一般小于10mA的电流就很难测量。如果需要更小的电流测量，可以把被测电线在探头上多绕几圈。

图11. 霍尔元件法电流探头

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探头对测量的影响

• 探头前端对测量的影响

使用探头测试时，具体使用环境下很多因素都会影响到测量结果，其中最常见的就是探头和被测件之间的连接方式，不同连接方式提供的系统带宽可能会不一样。图12.是典型的有源探头的前端部分的等效电路图。放大器前面的连接部分是一段阻抗不受控的连接线，有很多等效电容和电感，这部分对系统带宽，高频的输入阻抗，频率响应影响很大。放大器后面通常是50Ω的传输线，对于系统带宽影响较小。减小引线对系统带宽的影响的方法是缩短探头和被测件的连接线长度。

图12. 有源探头前端的等效电路

• 探头的负载效应

探头在测试时，会成为电路的一部分，附加到被测设备的探头和探测附件会给电路带来电阻，电容，电感和失配负载。由于负载效应不同，会在频域中影响探头的带宽和频响，并在时域中带来过冲，振铃和直流偏置问题。因此，探头的负载对于被测电路的影响，是影响测量精度的一个重要因素。知道了探头的负载效应，就可用于构建等效电路模型，评估寄生参数，以消除探头导致的负载效应。探头负载不是一个常数，它随着频率变化。

探头的负载效应由以下几方面构成：

阻性负载：在直流和低频范围内，主要的负载是探头的输入电阻。若被测电路的阻抗比探头的阻抗还大，流经电路的大部分电流会流入探头，会降低被探测点的电压。影响直流参数，例如直流幅度精度，直流偏置。

容性负载：电容负载随着频率而增加，在高频时，电容负载起作用，将高频信号引入到地，极大降低了探头的输入阻抗。容性负载对高阻无源探头非常重要，它会显著限制探头的带宽和降低信号的边沿速度。

感性负载：该负载主要来自探头探针到地产生的环路电感，磁通在该环路产生感应电压，如果自谐振不是阻尼的，会导致探测系统的频率响应出现明显的过冲。导致被测信号失真。

探头对测量的影响：

左图：探测测试点在信号源负载上增加了探头和示波器阻抗，导致测量系统吸收部分电流。右图：信号源阻抗越高，探测导致的负载越大。这种情况下，所有阻抗都相等，探测导致测试点上的信号幅度下降了30%以上。

• 如何判断探头负载对电路影响的程度

可以使用一种简单的方法，通常称为双探测技术。首先，选择一个想用的探头，将其连接到已知的目标阶跃信号。保存该波形，以便示波器进行参考。接着拿第二个探头将其附加到相同的探测点。第二个探头必须与连接附件的探头完全相同。这时刻意看到使用两个探头探测与仅与一个探头时的波形变化，变化越大说明探头负载效应越大。