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示波器探頭基礎(chǔ)入門指南(上)

作者：聶文偉

Oscilloscope.China@rohde-schwarz.com，

“ScopeArt先生”團(tuán)隊(duì)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(hào)傳輸?shù)逆溌罚瑢⒋郎y(cè)信號(hào)完整可靠的傳輸至示波器，以進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)量分析。很多工程師很看重示波器的選擇，卻容易忽略對(duì)示波器探頭的甄別。試想如果信號(hào)經(jīng)過前端探頭就已經(jīng)失真，那再**的示波器所測(cè)得的數(shù)據(jù)也會(huì)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(duì)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(cè)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(xiàng)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(duì)于DC直流或一般低頻信號(hào)而言，示波器探頭只是一個(gè)由特定阻抗R所形成的一段傳輸線纜。而隨著待測(cè)信號(hào)頻率的增加和不規(guī)則性，示波器探頭在測(cè)量過程中會(huì)引入寄生電容C以及電感L，寄生電容會(huì)衰減信號(hào)的高頻成分，使信號(hào)的上升沿變緩。寄生電感則會(huì)與寄生電容一起構(gòu)成諧振回路，使信號(hào)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。所有這些都會(huì)對(duì)我們測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)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(yīng)用下，還會(huì)使用到電流探頭（AC、DC）、近場(chǎng)探頭、邏輯探頭以及各類傳感器（光、溫度、振動(dòng)）探頭等。

無源探頭是*常用的一類電壓探頭，也是我們?cè)谫徺I示波器時(shí)標(biāo)配贈(zèng)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(biāo)準(zhǔn)的探頭除外），但由于示波器一般無法自動(dòng)識(shí)別其他品牌的探頭類型，所以此時(shí)需要手動(dòng)在示波器上設(shè)置探頭衰減比，以保證示波器在測(cè)量時(shí)正確補(bǔ)償探頭帶來的信號(hào)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(dǎo)線（一般1至1.5米左右）、可調(diào)補(bǔ)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(shí)，示波器的輸入阻抗會(huì)自動(dòng)設(shè)置為高阻1M?。此時(shí)示波器BNC通道輸入點(diǎn)的電壓Vscope與探頭前端所探測(cè)的電壓值Vprobe的關(guān)系滿足以下對(duì)應(yīng)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(cè)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(duì)待測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)（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(qiáng)（300V-400Vrms），價(jià)格便宜，通用性好，所以得到廣泛使用。

當(dāng)無源探頭的衰減因子為100：1、1000：1甚至更高時(shí)，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(cè)量高壓、超高壓電信號(hào)。

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(hào)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(cè)試小信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。由于不像10：1衰減比探頭那樣信號(hào)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(cè)量噪聲更小，此類更適用于測(cè)試小信號(hào)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(diǎn)是輸入阻抗相對(duì)較低，一般為幾百歐姆，支持帶寬更高，可達(dá)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(cè)量高頻信號(hào)。在使用傳輸線探頭時(shí)應(yīng)該注意將示波器輸入阻抗設(shè)置為50?，以與傳輸線50?阻抗相匹配，傳輸線探頭的典型應(yīng)用為測(cè)量50?傳輸線上的電信號(hào)，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(cè)試設(shè)備上。
圖7傳輸線探頭的典型應(yīng)用

需要注意的是，由于傳輸線探頭的低阻抗，它的負(fù)載效應(yīng)會(huì)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(cè)試。對(duì)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(diǎn)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(hào)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(gè)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(dòng)信號(hào)經(jīng)過50?傳輸線到達(dá)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(yīng)用在高頻信號(hào)的測(cè)量領(lǐng)域。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)往往是并存的，有源單端探頭亦是如此。能夠測(cè)量更高帶寬的信號(hào)是其優(yōu)點(diǎn)，但由于要集成有源放大器，因而其成本相對(duì)于無源探頭來說更高，一個(gè)幾GHz帶寬的有源單端探頭價(jià)格可達(dá)數(shù)萬人民幣。除此之外，由于高帶寬放大器的信號(hào)輸入范圍十分有限，因而其動(dòng)態(tài)范圍有限，一般有源單端探頭的動(dòng)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(duì)于前面所說的無源傳輸線探頭，有源單端探頭同樣可以應(yīng)用在低阻抗高頻率信號(hào)的測(cè)量環(huán)境，且由于其輸入阻抗相對(duì)于無源傳輸線探頭更高，因此它的負(fù)載效應(yīng)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(jìn)而用在射頻信號(hào)源和頻譜分析儀上，用來測(cè)試特殊環(huán)境下的信號(hào)，如傳統(tǒng)50歐姆同軸線纜無法連接的探測(cè)點(diǎn)處，或者需要使用高阻探頭探測(cè)待測(cè)點(diǎn)信號(hào)頻譜時(shí)。
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(diǎn)：信號(hào)點(diǎn)和地。有源差分顧名思義主要用來測(cè)試差分信號(hào)，探頭前端有三處連接點(diǎn)：信號(hào)正、信號(hào)負(fù)、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(duì)共模噪聲的抑制能力比較強(qiáng)。有源差分探頭主要用來測(cè)試差分信號(hào)，即測(cè)試兩路信號(hào)（一般為相位相差180度的正反信號(hào)）的相對(duì)電壓差，與地?zé)o關(guān)。

圖13差分信號(hào)測(cè)試原理示意圖

上圖顯示了用有源差分探頭測(cè)試差分信號(hào)的原理，圖中紅色波形顯示的為差分信號(hào)Vin+，藍(lán)色波形顯示為差分信號(hào)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(fù)探測(cè)點(diǎn)探測(cè)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(gè)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(hào)兩端具有相同幅度和相位的信號(hào)成分，用表達(dá)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(yīng)該為零。但在實(shí)際工作環(huán)境下，Vin+、Vin-上會(huì)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(dá)式可知：CM = Vnoise.

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

共模抑制（Common Mode Rejection）：差分放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，即差分放大器的一項(xiàng)主要能力是對(duì)Vnoise進(jìn)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(dá)式為：

CMRR = Adm / Acm

舉例如下圖：差模信號(hào)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(hào)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(hào)測(cè)試舉例

對(duì)于理想的差分放大器而言，我們希望其完全抑制共模信號(hào)，從而消除噪聲Vnoise對(duì)差分信號(hào)測(cè)量的影響。對(duì)于一般的差分信號(hào)測(cè)量而言，20dB的CMRR已經(jīng)足夠，而R&S RT-ZD40的CMRR可達(dá)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(jì)功能。其中，MicroButton是位于有源探頭前段的一個(gè)微型按鈕，用戶可以在測(cè)試時(shí)很方便的按動(dòng)按鈕，從而執(zhí)行對(duì)示波器的特定控制（可自定義），如：自動(dòng)設(shè)置、默認(rèn)設(shè)

置、單次運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)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(jì)，可用來直接在探頭點(diǎn)處測(cè)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(jìn)而對(duì)波形進(jìn)行測(cè)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(zhǔn)度。在使用差分探頭時(shí)，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(jì)

有源差分探頭可用于絕大多數(shù)較小幅度差分信號(hào)的測(cè)量，但對(duì)于幅度達(dá)上百甚至上千幅的高壓差分信號(hào)而言，有源查分探頭就顯得力不從心了。此時(shí)我們只能借助于高壓差分探頭的幫忙，相對(duì)于一般差分探頭而言，高壓差分探頭具有更高的動(dòng)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(duì)于無源高壓探頭而言價(jià)格昂貴，因此有用戶在測(cè)試高壓差分信號(hào)時(shí)會(huì)選擇將示波器的電源接地線剪斷，使示波器“浮起來”進(jìn)行測(cè)試，這是非常危險(xiǎn)的，一定要杜絕此類行為。我們將在**部分詳細(xì)說明。

電流探頭嚴(yán)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(cè)試交流電）、DC（僅能測(cè)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(cè)量功能。

電流探頭的原理如下，主要是利用電磁效應(yīng)（AC測(cè)量）和霍爾效應(yīng)（DC測(cè)量）。

圖19 AC+DC電流探頭原理圖

當(dāng)有AC電流經(jīng)過導(dǎo)線穿過電流探頭的前段閉合鉗口時(shí)，會(huì)有相應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生，通過磁場(chǎng)的強(qiáng)弱直接感應(yīng)到電流探頭的線圈。探頭就象一個(gè)電流變壓器，系統(tǒng)直接測(cè)量的是感應(yīng)電流。

如果是DC或者低頻電流，當(dāng)電流鉗閉合后，電流導(dǎo)線附近會(huì)出現(xiàn)一個(gè)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)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(gè)電壓。系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)電壓產(chǎn)生一個(gè)反相（補(bǔ)償）電流至電流探頭的線圈，使電流鉗中的磁場(chǎng)為零，防止磁飽和。系統(tǒng)根據(jù)反相電流測(cè)得實(shí)際得電流值。

電流探頭的選擇主要依據(jù)其測(cè)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(cè)試中會(huì)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(shè)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(hào)在屏幕上顯示出來。用戶可以根據(jù)多路數(shù)字信號(hào)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