示波器探头的重要性，你了解多少？
电子产品日益复杂，市场对示波器的带宽和准确性提出更高要求。这不是购买一台高档示波器就能解决的问题，还需搭配适合的探头和正确的测试方法。本文从探头的原理出发，讲述如何正确选择和使用探头。
认识示波器探头
被测信号不可能直接接入到示波器中，这就需要一个设备为测试点与示波器之间建立电气连接。根据需求不同，这个设备可以是一个导线，也可能是较为复杂的电路。这个负责勾连测试点与示波器的设备就是示波器探头。所以示波器探头至关重要，没有探头示波器将无法进行测量。
图1
上图为示波器探头测量时的示意图，从上图可知，示波器一般具有三个典型的部分，探头头部、探头电缆和探头补偿设备。其中探头头部的作用是与测试点直接接触，从而与被测系统产生电气连接，最终获取到需要测量的信号。探头电缆的作用则是使示波器和探头头部彼此不互相干涉，可以做到在不移动示波器的前提下，随意移动探头头部，使之可以方便的与测试点接触。最后的探头补偿设备，主要是为了尽量消除探头电缆带来的负面影响，从一定程度上保持探头的测量准确性。
由探头的基本结构可知，探头是不可能被看为一个透明的设备，一定会有很多性能上的限制，比如探头电缆和补偿设备决定了探头的带宽，又比如探头中的器件尺寸也决定了探头的输入电压。所以探头会有一些基本的参数。在此归纳一下：
1、衰减系数
衰减系数，是所有探头都会有的一个参数，指的是探头使信号幅度下降的程度。某些探头可能会有可选择的衰减系数。典型的衰减系数有1×、10×和100×。1×探头表示不会对信号进行衰减。10×则表示信号会被衰减10倍再输入示波器。1×、10×这些名称的由来，是因为之前的示波器没有自动识别探头衰减系数和自动调节的能力，所以需要通过1×、10×这些名称来提醒测试者记得要把测量出来的结果乘以相应的倍数。
2、带宽
带宽也同样是一个探头必备的参数，指的是探头导致信号衰减-3dB情况下的频率点。如下图所示：
图2
如100MHz探头就有100MHz带宽，500MHz探头就有500MHz带宽。一些探头，还会有一个低频的带宽频率，比如一些AC探头，不能传递DC信号，它在低频段会有一个带宽参数。值得一提的是，带宽指的是-3dB的频谱，此时信号被测量出的幅度只有真实信号的70.7%，所以测量者需要考虑对这个结果是否可以被接受，否则就需要使用更高带宽的探头。
3、上升时间
带宽指的是对单一正弦波的测量，如果需要测量的是方波，则需要考虑探头的上升时间，该参数是探头在阶跃信号激励的输入下，输出信号从10%上升至90%所需的时间。这个参数实际上是用来进行评估误差范围的。比如被测试方波信号的上升沿的上升时间为10ns，则经过一个上升时间为3.5ns的探头，最终输出的上升时间就大致为：
上升时间退化了5.9%。
如果此时改用0.7ns的探头，则输出的上升时间为：
上升时间仅仅退化了0.24%。所以测量时，就需要尽量选择上升时间远小于被测信号上升时间的探头，一般需要3~5倍。
4、最大输入电压
最大输入电压是指探头可以输入的最大额定值的电压。最大输入电压取决于探头机身和探头内部器件的额定击穿电压。一般该项会通过一些安规规范来给出，而不是给出单一的电压，比如一般10×的无源探头的最大输入电压为300VRMS CAT Ⅱ。其中CAT Ⅱ 指的是一类测试场景，300VRMS CAT Ⅱ指的是在这类测试场景下可以测量的最大电压。而且这个电压并不是一个恒定值。而是会随着频率的变化而变化。一般探头会给出自己的电压额定曲线，如下图所示：
图3
5、输入电容
输入电容就是从探头的探头头部端测量出的电容。对于有源探头，该电容包括探头探针的寄生电容和探头内部电路中的电容。对于一些无源探头，还要包括探头电缆的寄生电容和示波器本身的电容。该电容值越小，一般说明探头可测量的频率越高。
6、输入电阻
探头的输入电阻是探头的探头头部端测量出的电阻，该值是在DC情况下测量出来的。对于无源探头来说，衰减比例越大，探头的输入电阻越高。
7、示波器补偿范围
多数无源探头都是一种通用的设备，而在不同示波器之间，甚至在同一台示波器不同通道之间都会有所差异。探头为了兼容这些差异，就会自带一个补偿网络，用来补偿不同示波器间的差异。如果补偿不足或者补偿过度，就会导致测量结果出现错误。而这个补偿网络是一定会有一个能够调整的范围的，这个范围就是示波器补偿范围。一般的无源探头的示波器补偿范围为10~35pF。
8、电缆长度
每个探头都必须有一段探头电缆，这是为了更加方便的进行测量。而这段电缆会造成一定的信号传播延时。例如，1m左右的探头电缆，大概会有5ns的延时。对于10MHz的信号，这会造成大概20°左右的延时。电缆越长，会导致相位信号延迟越长。而这个延时一般情况下不会对测量造成影响，因为在一定带宽范围内，这个延时并不会跟随信号频率变化而变化，所以不会造成群延时的失真。只有在两个以上通道一起测量时，传输延时才会产生影响，特别是当电压探头与电流探头一起进行功率测量时，不同探头之间的延时就会造成很大的影响。所以测量之前需要根据电缆长度来推算大致的延时。如果延时过大，则需要使用示波器内的延时校准功能。
常见探头种类
常见探头分类如下图所示：
图4 示波器探头分类
其中无源探头常见的有1×、10×、100×三种规格，一般情况下，1×探头多为低带宽探头，适用于测量低频低电压的信号，100×探头耐压值一般较高，适用于一些高压测量情景，而10×探头的带宽一般都比较高，适用于较高速信号的测量。
有源探头中，高速差分探头适用于高速信号的测量，其带宽很高，而且探头负载效益很小，但是一般都价格昂贵。高压差分探头一般适用于对高压场合的测试，与无源探头相比，不仅输入电压更高，一般都在1000V以上，而且由于其两根测量线对地阻抗都非常高，使其可以直接进行非接地测量，比如在测量市电时，无源探头的地线必须接到市电的地线上，只能测量L或者N与地线之间的电压，而高压差分探头却可以进行任意两线间的测量。电流探头用于对电流进行测量，有些电流探头只能测量交流，有些也可以进行直流测量。
探头的使用注意事项
在探头的使用上，还需要考虑一些问题：
1、安全
使用探头进行测量时，最重要的就是安全问题。比如使用无源探头时，探头的地线与示波器的地是连接在一起的，当示波器安全接地的时候，探头是安全的。但是当示波器没有安全接地时，探头的地线就会存在一定的电压从而给使用者带来危险。具体情况如图5所示：
图5
图6 示波器接地
由于Y电容的原因，导致原本的接地点电压就不在是0V，而是L与N之间电压的一半也就是110V电压，这个电压会对人体进行伤害。所以示波器的测量过程中，一定要保证接地良好，或者采用隔离变压器进行完全的安全隔离，否则有可能会导致使用者触电。
而且此时如果探头的地线是接到了一个比较高的电压上，比如说市电的火线上时，就会导致整个示波器外壳都带有220V高压，这时人再触碰示波器时就会发生直接触电，这种情况非常危险，相当于直接将手插入市电插排。
图7
2、连接顺序
探头通过示波器电源线的地线间接接地，而被测系统可能是一个悬浮的系统，为避免危险，地线必须先连接到地上，将示波器与被测系统共地，然后才能将探头探针点在测试点上。而当断开探头时，也要先断开探针，然后再断开地线。
3、阻抗
使用探头时，需要考虑与示波器的匹配问题。常见的无源探头，一般需要示波器的阻抗档位是1MΩ阻抗。而一些有源探头则是需要50Ω阻抗。使用探头前，要看说明书上对应阻抗的说明，来选择相应的示波器档位与之匹配。
4、带宽
当使用探头进行测量时，整个系统的带宽就是由探头带宽和示波器带宽两部分组成的，其中任何一个带宽不足，都会导致最终测量结果不能达到要求。比如选用一个100M的探头配套一个500M的示波器，那么带宽最多也就只有100M左右，这样就无法发挥500M示波器的带宽优势。所以合理选择示波器与探头，才能让测试带宽达到要求。
5、电压
选择探头时，还需要考虑测试信号的电压，一方面要保证测试电压不要高于探头的最大输入电压，另一方面也要保证探头输出的信号在示波器的可测量范围内。这需要测试者根据测试信号的电压来选择探头。比如要测量600Vpp的电压信号，就需要选择耐压值超过600Vpp的探头，而一般示波器最大测量电压是80V，所以需要选择一个衰减比大于8的探头。而如果需要测量的信号是10mVpp的电压信号，则就需要采用无衰减的探头进行测量。
6、地线的影响
传统的使用习惯上，示波器的接地方式就是那根长长的接地夹线。这种接地方式，确实是一种简单方便的接地方式，但是却并不是一种严谨的、准确的接地方式。
图8 接地夹线示意图
由于地夹线比较长，其会形成一个寄生电感Lgnd，随着夹线的增长，这个电感也会增大，而这个回路电感会和示波器探头的输入电容Cin产生谐振。这就导致示波器的幅频特性变得不平坦，导致测量不准确。下图为使用接地夹时的等效电路。
图9 接地夹线等效电路图
下图为用该等效电路仿真出的频谱特性曲线：
图10 频谱特性曲线
可以看出，在60MHz以上的频率，幅度已经产生了超过3dB的过冲，而到达100M左右时，过冲到最大幅度。所以如果采用地夹，测量超过60MHz的信号就会产生比较大的失真。正确的方式应该是采用接地弹簧。接地弹簧具有非常小的电感，可以大大提升探头的带宽。
图11 接地弹簧示意图
而且使用弹簧，也会减小接地环路面积，大大较小空间噪声的辐射干扰。
7、补偿电容的调节
对于10×无源探头，其等效模型如下图所示。
图12 探头等效电路
其中C1和Cline1是示波器和通讯电缆的寄生电容，是无法去除的。由于R2的原因，势必会产生一个低通滤波器，这就导致探头无法通过高频信号。为了提高探头带宽，探头中会加入C2，来进行补偿。
计算可得该系统的零点：
系统极点为：
只有使得这两个点重合，才能让探头带宽得以平坦。而示波器的输入电容C1和通讯电缆的电容Cline1都有一定的变化范围，所以必须加入一个可调电容Cadj来进行匹配。实际使用时，需要通过这个可调电容来将探头带宽调节平坦。具体方式是将探头链接到示波器的校准片上，然后通过调节探头补偿装置上的调节器，将方波调节平坦。下图为调节图例。当屏幕上的波形变为方波时，表示探头调节成功。
图13 探头补偿示意图
8、探头的负载效应
前文提到过，探头都是具有输入电容和输入电阻的，这就导致其并不能当成一个阻抗无穷大的设备，其测量时的等效模型如下图所示。
图14
根据电路知识可知，对于直流信号而言，与未接入探头前相比，Vout会有所下降，因为现在的负载不再是RL，而是RL与Rin并联后的电阻，这势必小于原来的电阻RL。而对于交流信号而言，还需要在并联上一个电容Cin产生的阻抗。而这个阻抗会随着频率的增加而逐渐减小。这就是有些情况下探头点上去，电路无法正常工作的原因。在使用探头测量时，需要评估探头的负载效应对被测试系统产生的影响。比如一般的1×探头，输入电容高达150pF左右，如果接入到一个50Ω系统中，会产生一个40M左右的低通滤波器，如果被测信号接近或者高于这个频率时，就会导致被测系统工作异常。进行高频测量时，探头的输入电容越小，对系统产生的影响也就越小。
总结
探头在示波器测量系统中，至关重要。ZDS4000示波器具有很优越的各项性能，同时标配了性能优异的无源探头，但是探头的使用上存在着很多需要注意的事项，为了能正确的发挥示波器的性能，使用者需要了解这些，才能即安全又准确的得到测量结果。
