浅谈示波器测量中探头的选择和使用

目前，数字家电技术的高速发展使与此对应的电子回路速度日益加快，对观测波形信号的示波器和探头的要求也越来越高，因此示波器的采样速率和探头模拟带宽也得到了飞速发展。但是，不少示波器在实际测量过程中却出现了波形再现性不理想或无法正确观测波形等现象。问题究竟在哪里？原因在于随着被测信号频率的加快，探头的重要性也更加突出，如果探头性能不佳，就可能导致无法正确完成测量，本文将重点介绍几点测量高速信号时需要注意的探头选择和使用问题。
一、电压探头的主要种类
探头是电压传感器的一种，用户应根据被测对象电压值、输出阻抗、电压频率选择相适合的电压探头。目前示波器所使用的探头种类非常多，探头不同，其输入阻抗（电阻值、电容值）或模拟带宽也有很大差别，在准备测量之前，用户需要充分了解探头种类和各种探头之间的差别。一般在高频测量中被经常使用的探头大致分为以下三种:   
     

点击看原图

二、高频测量时需要注意的问题
负荷效应
当探头与被测量回路相连接，探头的输入阻抗将对被测系统产生影响。这种现象称为负荷效应。例如：在测量反馈回路时，探
头阻抗会改变回路内电压相位，结果使回路动作发生变化，在震动回路中可能改变震动频率，更为严重时出现震动停止等情况。因此测量时要考虑到探头可能产生的负荷效应，特别是在测量静电容量等敏感电路时，更需要注意探头种类的选择。
探头电容**测量带宽
在测量100MHz以上高频波形成分时，信号源阻抗和探头电容容量形成低通滤波器，对测量结果产生显著影响。以50Ω回路为例（图1），在终端测量信号波形时，信号源的等效阻抗为25Ω（50Ω并联），这里因为回路内追加了探头电容，形成的低通滤波器截止频率为 fc＝1/2πRC。如果使用14pF的无源探头截止频率则为 fc＝455MHz，输入容量为0.9pF的截止频率则为 fc＝7GHz。
                    
                       
测量高输出阻抗回路时，负荷效应会更加明显，所以推荐使用输入电容较小的有源探头/FET探头。
因电感而产生共振
    在使用探头观测波形信号时必然用到同轴电缆，因为探头是通过同轴电缆传输被测信号电缆必然存在电感，电感存在就会与探头输入电容产生共振。如果共振频率在示波器模拟带宽以外不会对波形观测产生影响；但如果阻抗或电容较大，发生共振时，示波器可能观测到被测信号本来没有的纹波或震铃。
1～2cm长度电缆的电感值约为10nH，上文介绍三种探头的共振频率如表1显示。
            
此外，除了探头输入端中存在的电感，还需要注意探头地线中电感所产生的影响。
那么，使用探头测量时，如何抑制共振的产生呢？
首先在使用示波器确认输入信号时，建议所使用探头输入端和地端尽量短。如果对被测信号再现性有更高的要求，则需要将探头输入端与被测端直接相连，使用较粗的铜线与探头地端相连以尽量减小地线电感的影响，如果探头输入端无论如何无法直接连接到被测端时，则在探头输入前端附加50～100Ω的电阻，以防止共振产生。在该情况下，因附加电阻，测量系统模拟带宽将被降低，以抑制因共振而产生的震铃，使被测波形接近原始波形。
电缆特性
一般在测量时，通过同轴电缆将被测信号传输到示波器，电缆因具有柔软性和高频特性目前被广泛选用。但是，在实际使用过程中，即使电缆存在很小的弯曲，该弯曲部分导电体也会被损坏，使其电感值发生变化，影响电缆的传导特性/反射特性，以至于不能正确观测波形的高频成分，这是影响高频波形观测的一个因素，所以在使用同轴电缆观测时，尽量使电缆不要弯曲，才可以最大限度再现被测波形。
观测高频信号时，需要选择合适的探头，更需要掌握正确使用探头的方法。希望本文能够为读者在高频测量时提供帮助。