选择示波器探头时常犯的 6 个 错误

引言

大部分工程师都低估了探头的重要性。没有探头，示波器就发挥不了任何作用。探头使您能够观察被测设备（DUT）当前的状况。目前市场上可以选择的探头有几百种，但为您的特定测量选择合适的探头以便获得准确的观测结果至关重要。许多工程师认为示波器标配的无源探头已经足够好，但事实并不是这样。如果您的应用使用了错误的示波器探头，那么就有可能遗漏重要事件，得到错误的测量结果。使用何种探测方法，对您在屏幕上看到的测量结果的准确性有很大影响。在进行测量之前，您应该主动了解其他工程师过去出现的错误，从中吸取经验教训：

示波器探头选型时容易犯哪些错误？

1. 第 1 个：不了解关键技术指标
2. 第 2 个：选择的探头带宽不合适
3. 第 3 个：没有考虑探头负载效应
4. 第 4 个：不确定应选择有源探头还是无源探头
5. 第 5 个：忘了考虑连接带宽和负载效应
6. 第 6 个：低估了衰减比

第 1 个错误：不了解关键技术指标

如果您不知道应该关注示波器探头的哪些关键技术指标，那么就不可能确定自己的需求。技术资料通常包含大量数字列表。哪些才是您需要关注的？人们最熟悉的技术指标就是带宽。探头的带宽范围从直流一直到大约 30 GHz。对带宽的一个常见误解是以为带宽越大，可以看到的数据就越多。但事实并非总是如此。随着带宽的增加，许多关键技术指标都会发生变化，它们也是需要考虑的重要因素。

噪声在各个频率之间均匀分布。这意味着探头带宽越高，引入的频率越多，进入信号的噪声也越多。为了防止发生这种情况，您应该根据下一节中介绍的计算方法，只使用需要的带宽。而且，还需要借助更专业化的探头来测量更高频率。当然，这需要加大开发力度，才能为敏感元件创造出如此专业化但成本较高的产品。使用带宽超过需求的探头可能会带来额外的成本、工作量和噪声，这些要素可能会大大地影响您的测量结果。各类探头都有优点和缺点，对于您所进行的特定测试，您需要选择更合适的探头。充分理解关键技术指标，理解其对您的意义，将使探头选型变得更加容易。我们认为，与其查看技术资料中那些冗长的技术指标列表，不如研究文档其余部分更重要。

第 2 个错误：选择的探头带宽不合适

如果使用的探头带宽不正确，那么您可能会遗失信号细节，或者为系统引入不必要的噪声。为了加深理解，我们先来讨论带宽的意义。探头带宽本质上就是 3 dB 点。3 dB 点是指探头输出相对于标称响应减少 3 dB 时的频率。假设用 1:1 探头测量 1 Vpp 的低频正弦波。由于您使用的是 1:1 探头，因此进入示波器的探头输出将等于设备输入探头的实际信号。但是，如果继续增加此 1 Vpp 信号的频率，那么最终您将到达一个点，在该点上探头输出远远小于输入探头的实际信号。当您看到示波器屏幕上的输出相对于 1 Vpp 输入降为 0.7 Vpp 时，那么就表示您到达了 3 dB点，因为相对于其标称响应，输出减少了 3 dB。

现在您已经了解了 3 dB 点理论，您可以利用它来改善测试。选择适合探头的第一步是了解信号的带宽。要确定信号带宽（BW），可以使用以下简单公式：如果我们测量的是 10％ 和 90％ 的阈值，则信号带宽等于上升时间除以 0.35。如果测量的是 20％ 和80％ 的阈值，则信号带宽等于上升时间除以 0.22。根据这些快速计算方法，您可以大致确定何种探头带宽适合您的应用。随着上升时间加快，信号带宽随之增加，这意味着您需要带宽更高的探头。但请记住，带宽过高也会带来麻烦。

另一种考虑带宽的方法是以谐波为基础。一般而言，探头带宽越高，捕捉到的谐波越多，二者都会使信号精度稍有提高。如下面图 5 所示，原始信号为黄色迹线，一阶谐波为绿色迹线。您可以看到，它们具有相同的周期和占空比，但一阶谐波的上升沿明显较慢，并且拐角非常圆滑。蓝色迹线显示一阶和三阶谐波，其上升沿较快，角点变得更清晰。但在图像的底部，我们可以看到一阶、三阶和五阶谐波。其边沿平缓，拐角锐利，信号顶部和底部有很多细节。带宽越高，波形将显露出越多的细节。

第 3 个错误：没有考虑到探头负载效应

探头一旦与示波器连接并与器件接触，它就成为电路的一部分。问题是，探头带给器件的电阻、电容和电感负载效应将影响您在屏幕上看到的信号。这种负载效应是您需要考虑的重要因素。有时这种效应很小，甚至注意不到，但如果负载效应过大，它所改变的

就不仅仅是您在屏幕上看到的内容。它还会影响器件的工作状态。显然，您希望尽可能减少负载效应。可惜，由于这是寄生的负载效应，您将永远无法完全消除它，但对它了解得越多，就越可能帮助您减少它对器件的影响。在图 8 的基本探头模型中，您可以看到无源探头的电感、电容和电阻。电阻是一个分立元件，这意味着它被设计在探头末端，以便将探头从电路中隔离开来并尽量减小负载效应。探头电容是设计中的电容元器件和寄生电容共同形成的结果。

图 9 中的图形使得这更容易理解。注意图形左边，在直流频率范围内，输入阻抗约为100 kΩ。对信号来说，这看起来像是一个 100 kΩ 接地电阻。但是，在图形右侧的MHz 区域内，阻抗开始下降，因为电容的阻抗与频率成反比。因此，随着频率变高，电容开始变得比电阻更容易接地。有源探头的负载效应远远小于无源探头，因为无源探头仅由电阻和电容元件制成。有源探头的负载效应远远小于无源探头，因为无源探头仅由电阻和电容元件制成。

第 4 个错误：不确定应该选择有源探头还是无源探头

首先我们来看一个无源探头与有源探头对比的示例，如图 10 所示。这里对比的是阻抗和频率。继续考虑探头负载效应，大部分工程师在阅读探头技术资料时，关注点都在电阻上。他们或许会比较无源探头的 10 MΩ 电阻与有源探头的 1 MΩ 电阻，然后想：“无源探头的电阻更大，这说明负载效应更低。”但是，他们真正应该考虑的是我们在上面讨论过的另一个重要因素，即电容。您可以比较图 10 中无源探头的 9.5 pf 电容与有源探头的 1 pf 电容。图 10 底部的图形可以帮助您直观地理解两种不同电容的阻抗与频率关系差异。无源探头的红色迹线和有源探头的蓝色迹线会在某一点相交叉。两个探头有同一阻抗的频率点为 10 kHz。但是，随着频率升高，它们的阻抗看起来差别很大。在 70 MHz 时，无源探头只有 150 Ω，而有源探头为 2.5 kΩ。有源探头的阻抗高得多，这正是您想要的。较高的阻抗将减少电容负载效应。有源探头的阻抗高得多主要是因为其电容较低。在这种频率上，电容的作用要远大于电阻值的作用。因此，千万不要忘记检查探头的电容技术指标。

请下载此文档以了解更多信息。