探头的特点

首先，必需认识到，即使探头只是一段简单的导线，但探头仍可能是一条非常复杂的电路。对 DC 信号 (0 Hz频率)，探头表现为一对简单的导线，其带有一定的串联电阻和端接电阻 (图4a)。但是，对 AC 信号，随着信号频率提高，图形会发生明显变化 (图4b)。

通过采用良好的探头设计，可以控制探头的电阻、电感和电容单元，在指定频率范围上提供希望的信号保真度、衰减和信号源负荷。但即使设计良好，探头仍受到电路特点的限制。在选择和使用探头时，必需了解这些限制及其影响。

 图 4 探头是由分布式电阻、电感和电容 (R, L和C) 单元组成的电路

带宽和上升时间限制

带宽是示波器或探头设计使用的频率范围。

一般来说，为准确地进行幅度测量，示波器的带宽应比被测的波形频率高五倍。这种“五倍规则”保证了为非正弦曲线波形中的高频成分提供足够的带宽，如方波。

 图 5 探头和示波器是根据规范为在工作带宽上进行测量而设计的。在超过3 dB点的频率上，信号幅度会变得极度衰减，测量结果可能会变得不能预测

与此类似，示波器必须为测量的波形提供充足的上升时间。示波器或探头的上升时间定义为在使用理想的瞬时上升脉冲时测得的上升时间。为在测量脉冲上升时间或下降时间时实现合理的精度，探头和示波器的总上升时间应该比被测脉冲快3-5倍（图 6）。

在没有指定上升时间的情况下，可以使用下述公式，从带宽(BW) 指标中推导得出上升时间(Tr):

Tr = 0.35/BW

每台示波器都有规定的带宽和上升时间极限。类似的，每只探头还有自己的一套带宽和上升时间限制。此外，在探头连接到示波器时，会得到一套新的系统带宽和上升时间限制。

遗憾的是，系统带宽与各个示波器和探头的带宽之间的关系并不是简单的关系，上升时间也是如此。为处理这个问题，在示波器与指定型号的探头一起使用时，优质示波器的制造商会指定探头尖端的带宽或上升时间。这一点非常重要，因为示波器和探头一起使用时，会构成一个测量系统，而系统的带宽和上升时间则决定着测量功能。如果使用的探头没有列入示波器推荐探头清单，那么您可能会得到预测不到的测量结果。

动态范围限制

所有探头都有不应超过的高压安全极限。为避免危及人身安全及可能损坏探头，最好了解被测的电压及使用的探头的电压极限。

除安全考虑因素外，还要在实践中考虑测量的动态范围。示波器具有幅度灵敏度范围。这至少假设采用4格幅度的信号显示，以获得合理的测量分辨率。在 1X 探头 (1倍探头) 中，动态测量范围与示波器相同。对上面的实例，信号测量范围是4 mV - 40 V。

信号源负荷。如前所述，探头必须吸收部分信号电流，以在示波器输入上形成信号电压。这在测试点上带来了负荷，可能会改变电路或信号源传送到测试点上的信号。

 图 7 电阻负荷实例

信号源负荷效应最简单的实例是电池操作的电阻网络测量，如图 7 所示。在图 7a 中，在连接探头前，电池的DC电压在电池的内部电阻 (Ri ) 和电池驱动的负荷电阻 (Ri ) 之间进行划分。对图中给出的值，得到的输出电压为：

Eo = Eb * RI/( Ri + RI )

= 100 V * 100,000/(100 + 100,000)

= 10,000,000 V/100,100

= 99.9 V

在图 7b 中，探头已经连接到电路上，导致了与RI并联的探头电阻 (Rp)。如果Rp是100kW，那么图 7b中的有效负荷电阻被减少一半，为50 kW。

这个Eo 上的负荷效应是：

Eo = 100 V * 50,000/(100 + 50,000)

= 5,000,000 V/50,100

= 99.8 V                                                                                            

99.9 的负荷效应与99.8相比只差0.1%，对大多数用途可以忽略不计。但是，如果Rp比较小，如10kW，那么这一效应就不能再忽略不计了。

为使这类电阻负荷达到最小，1X 探头一般有 1 MW 的电阻，10X 探头一般有 10 MW 的电阻。在大多数情况下，这些值几乎不会导致电阻负荷。但是，在测量高电阻信号源时，应可以预计到某些负荷。

通常情况下，用户最担心的负荷是探头尖端上的电容导致的负荷（参见图 8）。对低频，这一电容具有非常高的电抗，影响很小或没有影响。但随着频率提高，电容电抗会下降。其结果，负荷会在高频上提高。

这种电容负荷影响着测量系统的带宽和上升时间特点，因为它降低了带宽，提高了上升时间。

通过选择尖端电容值低的探头，可以使电容负荷达到最小。下表提供了各种探头的部分典型电容值：

图 8 对AC信号源，探头尖端电容 (Cp) 是用户最担心的

负荷。随着信号频率提高，电容电抗 (Xc) 会下降，导致更

多的信号流经电容器

为避免接地问题，应一直使用随探头一起提供的最短的地线。代以其它方式的接地可能会导致被测脉冲上出现振铃。

探头就是传感器

在处理示波器探头的实际特点时，重要的一点是记住探头就是传感器。大多数示波器探头是电压传感器。也就是说，它们传感或探测电压信号，把电压信号传送到示波器输入。但是，还有其它探头，允许您传感除电压信号之外的其它现象。

此外，示波器电压探头可以与各种其它传感器或变频器一起使用，测量不同的现象。例如，振动变频器允许您在示波器屏幕上查看机械振动信号。具体视市场上提供的变频器种类而定。

但是在任何情况下，变频器、探头和示波器组合必须视作一个测量系统。此外，上面讨论的探头实际特点还可以延伸到变频器。变频器也具有带宽限制，可能会导致负荷效应。

如何避免探测中常见问题？

最好在改变探头尖端适配器时检查探头补偿情况。

尽可能使用相应的探头尖端适配器

地线要尽可能短、直

 图 9 探头地线在电路中增加了电感。地线越长，电感越大，在快速脉冲上看到振铃的可能性越高

图 10 在探头头部或在补偿设备上进行探头补偿调节，其中补偿设备连接到示波器输入上

 图 11 探头补偿对方波的影响实例

 图 12 即使焊接到测试点上的一小段线也可能会导致信号保真度问题。在这种情况下，上升时间从 4.74 ns (a) 变成 5.67 ns (b)

图 13 延长探头地线长度可能会导致脉冲上出现振铃

转载于泰克科技《关于探头的那些问号》