作者：聶文偉
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“ScopeArt先生”團(tuán)隊(duì)成員
在《示波器探頭基礎(chǔ)入門指南（上）》一文中，我們主要介紹了示波器探頭的種類及其工作原理，接下來我們將介紹示波器探頭的主要指標(biāo)，如何選擇示波器探頭，以及在示波器探頭的使用過程中應(yīng)該注意哪些問題。
2 示波器探頭的主要指標(biāo)
2.1 帶寬
與示波器一樣，示波器探頭的頻響類似一個(gè)低通響應(yīng)。探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)輸出幅度下降到70.7%（-3dB）時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)頻率。
圖1探頭頻響及帶寬定義
當(dāng)示波器配合探頭使用時(shí)，示波器+探頭就構(gòu)成了一套測(cè)量系統(tǒng)，此測(cè)量系統(tǒng)的帶寬滿足以下公式：
可見，探頭帶寬越高，對(duì)示波器帶寬的影響也就越小。一般我們推薦示波器探頭的帶寬為示波器帶寬的1.5倍，即探頭帶寬略高于示波器帶寬。
2.2 上升時(shí)間
探頭的上升時(shí)間是指探頭對(duì)階躍函數(shù)10%-90%的響應(yīng)時(shí)間。一般而言，探頭帶寬越高，上升時(shí)間越短。
與示波器一樣，大多數(shù)探頭的帶寬與上升時(shí)間滿足0.35公式，即：
示波器+探頭測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間則滿足以下公式：
2.3 輸入阻抗
探頭一般都標(biāo)注了輸入阻抗值，從50?至10M?甚至更高。探頭的輸入阻抗會(huì)嚴(yán)重影響探頭的負(fù)載效應(yīng)（將在第三節(jié)中詳述）。輸入阻抗越大，探頭的負(fù)載效應(yīng)越小，對(duì)待測(cè)電路正常工作影響也就越小。輸入阻抗越小，探頭的負(fù)載效應(yīng)越大，對(duì)待測(cè)電路正常工作的影響就越大。
2.4 輸入電容
輸入電容是有源探頭的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。有源探頭的輸入電容一般很小，小至pF甚至零點(diǎn)幾pF。小的電容會(huì)在高的頻帶上提供較大的輸入阻抗，從而減小負(fù)載效應(yīng)。由輸入電容導(dǎo)致的輸入阻抗公式如下：
由以上公式可知，Cin越小，探頭可以支持更高的帶寬f，這也是為什么有源探頭相對(duì)于無源探頭而言可以提供更大的帶寬的原因。
2.5 衰減比
一般探頭都會(huì)對(duì)探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行衰減，然后輸送至示波器。*常見的衰減比為10：1，即信號(hào)衰減為原始的十分之一，此時(shí)衰減比標(biāo)注為10X。此外，常見的還有1X、100X、1000X探頭等。
2.6 *大輸入范圍
探頭都有*大輸入范圍，超過一定輸入范圍則可能損壞探頭。
3 示波器探頭使用注意事項(xiàng)
3.1 負(fù)載效應(yīng)
探頭的負(fù)載效應(yīng)是指被測(cè)電路接上探頭后，探頭與示波器一起組成了待測(cè)電路的并聯(lián)負(fù)載，從而吸引一部分電流流入示波器，對(duì)原始待測(cè)電路上的信號(hào)產(chǎn)品影響。如果負(fù)載效應(yīng)很大，則測(cè)到的波形與原始波形變化很大，示波器就不能準(zhǔn)確測(cè)量波形。
圖2示波器探頭接入引起負(fù)載效應(yīng)
那么如何評(píng)判探頭的負(fù)載效應(yīng)呢？一般來說，探頭接入的輸入阻抗應(yīng)為待測(cè)電路待測(cè)點(diǎn)處輸出阻抗的10倍以上，此時(shí)負(fù)載效應(yīng)較小，測(cè)量誤差在允許范圍以內(nèi)。
如下圖所示：
圖3負(fù)載效應(yīng)示例
在探頭探測(cè)前，探測(cè)點(diǎn)的電壓為5V × 100K?/（100?+100K?）=4.995V。探頭探測(cè)后，并聯(lián)了一個(gè)1M?的阻抗，此時(shí)探測(cè)點(diǎn)的電壓為：
5V × (90.9k)/[100+(90.9k)] = 4.994V
此時(shí)，探頭引入的負(fù)載效應(yīng)僅為0.001V，可以忽略不計(jì)。如果待測(cè)點(diǎn)的輸出阻抗更高，則需要使用更高輸入阻抗的探頭。
值得一提的是，當(dāng)我們測(cè)試由信號(hào)源輸出的射頻信號(hào)時(shí)，一般使用的是50?傳輸線纜。50?的傳輸線纜與信號(hào)源輸出阻抗（50?）相匹配，使功率*大的傳輸至示波器，從而保證了測(cè)量精度。
而在某些時(shí)候，工程師希望測(cè)試電路板上某個(gè)探測(cè)點(diǎn)處的頻譜，往往使用剪斷的50?傳輸線纜，在剪斷處剝離地和傳輸芯，用以接觸探測(cè)點(diǎn)。線纜另一端則連接至頻譜儀。
圖4前段剝離的50?傳輸線纜
這種做法則是不可取的，電路板上的探測(cè)點(diǎn)與射頻源的輸出不同，由于傳輸線的50?低阻抗，會(huì)對(duì)測(cè)試點(diǎn)處引入較大的負(fù)載效應(yīng)。正確的做法是，使用高輸入阻抗的探頭取代50?傳輸線纜，與頻譜儀連接。
R&S提供了RT-ZA9的BNC-N轉(zhuǎn)接頭方案，它可以將高輸入阻抗的R&S有源探頭（1M?）與頻譜儀或接收機(jī)相連接，對(duì)需要高阻抗測(cè)試的DUT進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。
圖5 RT-ZA9轉(zhuǎn)接頭示意圖
前面介紹過，探頭一般含有電阻、容性阻抗和感性阻抗。電阻的負(fù)載效應(yīng)會(huì)對(duì)信號(hào)DC分量測(cè)量造成影響，對(duì)波形的幅度測(cè)量造成誤差。容性阻抗對(duì)AC分量的測(cè)量造成影響，比如會(huì)影響（延緩）信號(hào)的上升時(shí)間。感性阻抗則會(huì)對(duì)波形測(cè)量引入振鈴現(xiàn)象。
圖6探頭負(fù)載效應(yīng)分類
3.2 探頭補(bǔ)償
我們?cè)谂c電子測(cè)量工程師的交流中，經(jīng)常提到探頭補(bǔ)償?shù)膯栴}。當(dāng)我們購買示波器后**次使用時(shí)，或者因探頭資源緊張而臨時(shí)拿其他品牌探頭使用時(shí)，都會(huì)涉及到探頭補(bǔ)償問題。
所謂探頭補(bǔ)償是指示波器與探頭連接使用時(shí)，調(diào)整探頭的可變電容，在探頭與示波器之間進(jìn)行頻率補(bǔ)償，使頻率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)補(bǔ)償完成后，具備如下關(guān)系式：
即：為了*大限度地傳送信號(hào)，示波器的輸入電阻和電容必須與探頭輸出的電阻和電容相匹配，此時(shí)探頭具有*優(yōu)信號(hào)傳送能力。
那么如何進(jìn)行探頭補(bǔ)償呢？
探頭補(bǔ)償一般針對(duì)無源探頭而言（有源探頭也存在補(bǔ)償），使用過無緣探頭的工程師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，在無緣探頭與示波器接觸的一端上有一個(gè)小孔，這個(gè)小孔內(nèi)有一個(gè)十字旋鈕。通過探頭自帶的螺絲刀小工具即可深入小孔內(nèi)調(diào)節(jié)探頭的可調(diào)電容值。
圖7調(diào)節(jié)無源探頭的可調(diào)電容值
具體原理如下圖所示：
圖8通過調(diào)節(jié)探頭可調(diào)電容Ccomp來實(shí)現(xiàn)探頭匹配
探頭補(bǔ)償?shù)牟襟E如下：
在調(diào)節(jié)探頭時(shí)，示波器上顯示的方波信號(hào)可能存在以下三種狀態(tài)：
圖9探頭欠補(bǔ)償、過補(bǔ)償、匹配狀態(tài)的波形
3.3 諧振效應(yīng)
在使用探頭測(cè)量信號(hào)上升沿時(shí)，把示波器的時(shí)基范圍調(diào)小，一般能看到在上升沿的過沖部分存在振鈴現(xiàn)象，即探頭帶來的諧振效應(yīng)。
圖10探頭帶來的振鈴效應(yīng)
探頭不僅存在阻抗以及寄生電容，還存在寄生電感（特別是在測(cè)試高頻信號(hào)時(shí)）。探頭是由導(dǎo)線和地線組成的，通常導(dǎo)線及地線越長(zhǎng)，電感值就越大。探頭上的寄生電感和寄生電容容易形成諧振回路，在輸入信號(hào)的激勵(lì)下，在某些頻率上產(chǎn)生高頻減幅諧振，從而出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。
圖11振鈴現(xiàn)象的產(chǎn)生
如下圖所示，探頭的輸入阻抗會(huì)在特定頻率fx處達(dá)到*小值。
圖12探頭輸入阻抗
此時(shí)探頭的寄生電感、寄生電容以及待測(cè)信號(hào)源構(gòu)成諧振回路，出現(xiàn)諧振效應(yīng)，諧振頻率為：
其中，Lcon為探頭寄生電感，Cin為輸入電容。如果諧振頻率剛好落在探頭帶寬范圍之內(nèi)，則在測(cè)試此頻率的信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。
為了降低這種效應(yīng)，使用者往往使用*短的地線，從而減小探頭的Lcon寄生電感，使得fresonance諧振頻率*大化，從而超出示波器探頭的帶寬范圍，也就進(jìn)一步有效避免了諧振效應(yīng)。
探頭地線的長(zhǎng)度嚴(yán)重影響諧振效應(yīng)，以下圖片充分說明了地線長(zhǎng)短對(duì)波形上升沿測(cè)量的影響。
圖13不同長(zhǎng)短的底線的諧振效應(yīng)
由圖示可知，地線越短，諧振效應(yīng)越小，上升沿引起的振鈴現(xiàn)象越不明顯，此時(shí)的測(cè)量精度也就越高。所以，在測(cè)試環(huán)境允許的情況下，盡可能地使用更短的地線。
3.4 浮地測(cè)量問題
測(cè)量差分信號(hào)時(shí)，我們往往面臨以下3種選擇：
圖14使用兩個(gè)單端探頭測(cè)量差分電壓
圖15使用差分探頭測(cè)量差分電壓
圖16使用浮地的方法測(cè)量差分信號(hào)
第1種方法需要兩個(gè)通道及探頭之間的完全一致性。即便如此，兩個(gè)通道上產(chǎn)生的不同噪聲也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，此種方法測(cè)試的CMRR共模抑制比很差，不作推薦。
第2種方法是*值得推薦的方法，使用差分探頭具有高CMRR（在《示波器探頭綜述（上）》有記載），測(cè)得數(shù)值**。
然而，差分探頭往往價(jià)格昂貴，并非所有客戶愿意花重金采購。因而就有了第3種方法，使用單端探頭對(duì)差分信號(hào)直接進(jìn)行浮地測(cè)量。
差分信號(hào)兩端一正一負(fù)，如果要使用單端探頭進(jìn)行探測(cè)，往往將單端探頭的地端與差分信號(hào)的負(fù)端相接。而單端探頭接上示波器后，探頭地線會(huì)與示波器電源地線共地，從而將差分信號(hào)的負(fù)端拉至地，對(duì)原始差分信號(hào)有影響。因此，有人想到浮地測(cè)量的方法，即將示波器電源地線剪斷，使示波器浮地。
浮地測(cè)量在電源測(cè)試中可能會(huì)造成觸電危險(xiǎn)，因?yàn)橛行┎罘蛛妷旱呢?fù)端高達(dá)負(fù)的上百上千伏。在測(cè)試過程中，如果人手不小心觸碰到示波器其他通道的BNC接地殼，則會(huì)觸電！因此，浮地測(cè)量不是推薦的測(cè)量方法。
圖17浮地測(cè)量帶來觸電危險(xiǎn)
除了以上3種常見測(cè)量方法之外，還可以使用通道隔離的示波器，或者使用隔離電源對(duì)示波器供電的方法。在此就不作詳述了。
3.5 其他品牌探頭兼容性問題
我們?cè)谌粘Ｊ褂檬静ㄆ鲿r(shí)經(jīng)常出現(xiàn)原始匹配探頭丟失或損壞的情況。此時(shí)，能夠解決問題的辦法通常是拿手頭上其他品牌的探頭臨時(shí)配合示波器使用。很多人不了解具體情況，插上示波器探頭就開始測(cè)試，這樣往往測(cè)得的數(shù)值存在很大偏差，是不可取的！
并非不同品牌示波器和探頭不能配合使用，實(shí)際上，目前市面上絕大多數(shù)品牌示波器的無源探頭均具備統(tǒng)一的BNC接口，可以與其他品牌示波器配合使用。但是在正式測(cè)量之前，有幾點(diǎn)需要注意。
首先，一般示波器無法自動(dòng)識(shí)別其他品牌探頭的衰減比（衰減因子），所以在與其他品牌探頭一起使用時(shí)，需要在示波器上手動(dòng)設(shè)置探頭衰減比，這樣才能防止測(cè)量值偏差10幾倍甚至上千倍的錯(cuò)誤。
其次，不同品牌的示波器和探頭之間同樣存在不匹配問題，即前面所述探頭補(bǔ)償問題。所以，在測(cè)試之前，需要對(duì)探頭進(jìn)行補(bǔ)償。
此外，不同廠家的有源探頭（包括有源單端、有源差分、部分電流探頭等）甚至部分無源探頭設(shè)計(jì)為獨(dú)特接口標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)此類探頭，有時(shí)可采用不同的轉(zhuǎn)換接頭使用，如R&S為有源探頭提供的BNC轉(zhuǎn)N型的RT-ZA9轉(zhuǎn)接頭等。而大多數(shù)不具備轉(zhuǎn)接頭的探頭則無法與其他品牌示波器通用。
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