示波器探头基础系列之二

示波器探头基础系列之二  
                                                           ——探头的共有特性概述

                                                       李海龙 美国力科公司北京代表处   

         数字示波器是电子工程师使用最广泛的一种测试测量仪器，从测试系统的角度来看，数字示波器系统包括主机和探头两主要组成部分，示波器探头与主机的关系就好比汽车与轮子，汽车车身通过轮子才能接触到地面，才能发挥行驶的功能，示波器主机也是通过探头才能接触到信号，才能执行信号采集与测试的功能。缺少轮子的汽车就是一堆废铁，没有探头的示波器也只能是个摆设。示波器探头不仅仅是把测试信号送进示波器输入端的一根导线，而且是仪器系统的重要组成部分。根据特性和应用场合的不同，探头可以分成很多类型号，以适应各种不同信号测试的需要。其中一类称为有源探头，其内部包含有源电子元件（主要是晶体管）可以提供信号放大能力，不含有源器件的探头称为无源探头，其中只包含无源器件如电阻电容等。这类探头通常只能对信号进行衰减。我们可以继续将有源和无源探头分成更专门的类别型号，我将通过系列文章来介绍每种探头的工作原理、应用场合和使用注意事项。
    首先是阐述所有类型探头共有的一些特性。
   探头屏蔽
    工程师赋予示波器探头的一个重要使命就是确保只有希望观测的信号才能通过它显示在示波器屏幕上，如果我们仅仅使用一根导线来代替探头，那它的作用就好象是一根天线，可以从无线广播，移动电话、电机、50或60Hz的电源的交流声甚至当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号，这些噪声甚至还能反向注入到被测电路中使信号发生畸变，所以我们首先需要的是能够提供屏蔽功能的电缆，良好设计的示波器探头的屏蔽电缆通过探头尖端的接地线和被测电路连接，从而保证了很好的噪声抑制性能。
   探头带宽 
    大家都了解示波器通道带宽的定义，输入正弦波信号幅度被降低到-3dB(0.707倍)时对应的频率即对应示波器模拟带宽这个指标，决定这个指标的是前端放大器件的性能。同样探头也具有有限的模拟带宽。如果把示波器作为一个系统来考察，其总体带宽由主机带宽和探头带宽共同决定，更专业的数学公式表明了这种关联性：
  
                     图1   探头带宽相关公式
   以上公式中，Tr(display)表示实际测量到的信号上升时间，等于示波器上升时间、探头上升时间和源信号上升时间的正交和。而系统的上升时间与带宽的乘积为一常数，对系统函数为1阶的模型而言，该常数经验值为0.35,对于更高阶的模型该常数介于0.35 ~ 0.5之间。 我们可以推导出这四者带宽之间的关系。从以上公式我们还可以推导出：如果我们使用一台100MHz的示波器和一个100MHz的探头，那么它们组成的系统带宽就小于100MHz，内在的因素是因为探头的电容和示波器的输入电容相加，更大的电容导致更小的系统带宽，加大了显示在示波器屏幕上信号的上升时间tr。
　　继续讨论： tr(ns)=350/BW(MHz)
　　如果示波器和探头各自均为100MHz带宽，其上升时间均为tr=3.5ns 。则有效系统上升时间就由下式给出： 
　　trsystem=sqr(t2rscope+t2rprobe)
　　=sqr(3.52+3.52)ns
　　=sqr(24.5)2ns
　　=4.95ns
　　根据4.95ns的系统上升时间求得，系统带宽为350/4.95MHz=70.7MHz。
　　从上述的计算可以看出，探头带宽比示波器主机带宽越高，整个系统带宽就越接近主机带宽，所以力科公司推荐用户应配备尽可能高带宽探头，以提升整个测试系统带宽。 
示波器探头负载效应
     当我们进行信号测量时，我们常常以为测得的电压和电路中未连入示波器时是完全一样的，实际则不然。打个比方，我们用温度计去度量火焰的温度，温度计未靠近时火焰温度50摄氏度，靠近后温度计要从火焰中汲取热量，自身温度升高而火焰温度降低为49度，温度计反映出来的温度值就为49度，很明显有1度的测量误差，这个误差正是因为引入测量系统后带来的。
　  实际上，每个示波器探头都有其输入阻抗，这个阻抗是特性阻抗，不仅是因为电阻造成的，还包含了电容和电感等因素。由于探头引入的额外负载，所以探头接入被测电路后，会从信号中汲取能量，实际上就会影响被测电路，最恶劣的后果就是电路本来是正常工作的，引入示波器探头后却不正常了，工程师就容易得出与事实相反的结论。因此我们分析测量结果时必须考虑探头的负载特性以及测试电路的阻抗匹配性。
　　有些示波器探头里没有串联的电阻，这类探头主要就由一段电缆和一个测试头构成，因此，在其有用带宽之内，探头对信号没有衰减作用。这类探头称为1：1或X1探头。由于这类探头在测试点处将其自身的电容（包括电缆的电容）与示波器的输入阻抗连在了一起，所以这种探头具有负载效应。见图2。


                                           图2  X1探头结构模型 　　
    当信号频率升高时，探头的容性负载效应就变得更加显著。由于电缆的类型和长度的不同以及探头本身构造等原因，1：1探头的输入电容通常可以从大约35pF到100pF以上，这等于给被测电路施加了一个低阻抗负载，具有47pF输入电容1：1探头在20MHz之下的电抗仅为169W，这就使得这个探头在此频率无法使用。
　　我们可以在探头中增加一个和示波器输入阻抗相串联的阻抗，用这种办法就可以减小探头的负载效应。然而，这就意味着输入电压不能完全加到示波器的输入端，因为我们现在已经引入了一个电阻分压结构。
　　图3给出了电阻分压的探头等效电路，Rp和Rs构成了一个10：1的分压器，Rs为示波器的输入阻抗。调节补偿电容C3使得探头和示波器通道RC乘积相匹配，这样就能保证在探头的尖端获得正确的频率响应曲线，并且这种探头的频率响应比1：1探头频率响应要宽得多。
      
                                      图3  10：1无源探头结构模型 
示波器探头最大输入电压 
　　 多数通用10：1探头的构造使这些探头适合于最大输入电压为峰值300V或400V的情况下使用，所以这些探头可以用于信号电平高达数百伏的广泛的应用场合，对于需要测量更高电压的场面合，我们推荐使用电压额定值更高的100：1或1000：1衰减探头。

探头自动识别能力 
 　　现代示波器探头都支持编码能力，使得示波器主机能够识别与它相连接的探头类型和特性参数。 从而使示波器能够自动重构所有幅度测量结果以避免发生泥淆。而如果使用不带这种识别系统的探头，则用户就不得不自己为所有波形显示和测量结果重新定义以便反映出探头的衰减量。力科PP系列高阻抗无源探头即能被自动识别出阻抗和衰减比，示波器软件在还原信号时也会自动对信号电压重新定标以确保显示的波形幅度与真实情况一致。
探头接地引线
　　探头接地引线实质可以等效为电感效应，接地引线电感与探头及示波器的输入电容形成串联谐振电路。而探头的输入电阻则在谐振电路中引入阻尼。电感效应会造成阻抗不匹配，而且是带宽越大影响就越大。等效电感的大小与接地线长度有关，其越长电感效应就越大，对波形的破坏效应就是会产生脉冲信号的振荡、过冲等信号完整性问题带有接地引线电感的示波器探头等效电路及效应如下图4。
    
                    图4  探头接地引线电感效应
　　举例来说：

 

    从以上分析可以清楚的看到接地引线电感对测量结果的影响，所以一定要使探头的接地引线尽可能的短，特别是在测高频和快速上升沿的信号时尤应注意。 
探头安全接地 
　 为保证操作者在使用示波器时的人身安全，多数示波器都通过电源线与安全地线相连。被测信号有可能和地线具有相同的参考电位，但并非必然如此，因此在连接探头的地线时，一定要注意不要因此而把被测系统的某一部分短路。另一方面，既使被测系统和示波器的地线具有相同的参考电位，这也并不意味着可以用安全地线来作信号返回通路，这是由于安全地线连接走线很长，具有很大的引线电感，因此不适合作信号返回通路。这时一定要用探头的接地引线来作为信号的参考地线。
示波器探头类型 
　　以上内容探讨了通用示波器探头的基本特性，在接下来的探头系列文章中我将给大家介绍每种类型探头的具体工作原理、应用场合和使用注意事项，也感谢各位的持续关注。