編者按： 探頭將示波器的輸入端連接到受測試器件 (DUT) 上的測試點(diǎn)。探頭分為很多類型，包括：高阻抗無源、低電容、單端有源、差分有源、高電壓和電流探頭。本文是有關(guān)探頭選擇和應(yīng)用的三篇系列文章的第一篇，重點(diǎn)介紹無源探頭。 第 2 部分和第 3 部分將分別介紹有源探頭和電流探頭。
無源探頭是一種將示波器連接到受測試器件或電路的很好方法。它們具有低成本和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)正確使用時，還提供合理的信號完整性。本文將從工作原理入手，通過基本調(diào)節(jié)和使用，對無源探頭進(jìn)行探討。我們將討論影響正確測量的無源探頭特征，旨在了解這些裝置的最有效應(yīng)用。
示波器通常提供 50 Ω 或 1 MΩ 的輸入端接。50 Ω 端接通常與匹配的同軸電纜配合使用，以連接到帶 50 Ω 電流源的電路元件。這樣，不但可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的互連，而且只產(chǎn)生最小的信號失真。使用 1 MΩ 輸入端接來連接電路時，源阻抗更高。這種連接可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)，包括直接使用電纜或 X1 探頭，或者使用高阻抗探頭（圖 1）。
圖 1： 將信號連接到示波器的 1 MΩ 輸入端時，直接連接 (a) 與使用高阻抗探頭 (b) 進(jìn)行連接的電路簡化圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
1 MΩ 輸入端還包括從 15 至 25 pF 的分路電容。使用直接連接時，不匹配的電纜會增加額外的電容，每英尺電纜長度增加 10 至 30 微微法拉 (pF)。在 3 英尺長度電纜的典型情況下，電纜的探頭端的負(fù)載為 1 MΩ，并聯(lián)電容大約為 90 pF（圖 1a）。對于低頻率測量，電容負(fù)載可以忽略不計(jì)。例如，在 1 kHz 的頻率下，容抗約為 1.8 MΩ。但是，對于更高頻率的信號，效果會很差。在 100 MHz 的頻率下，容抗降低至大約 18 Ω，這將大幅衰減信號。
如高阻抗探頭（圖 1b）所示可以減小示波器和連接電纜的輸入電容的影響。此探頭基本上是補(bǔ)償衰減器。輸入電阻器，標(biāo)稱為 9 MΩ，形成 10:1 衰減器，示波器使用 1 MΩ 輸入端接。電容器 Cin 和 Ccomp 被用于補(bǔ)償衰減器，并形成全通網(wǎng)絡(luò)。當(dāng) Cin 和 Rin 的 RC 乘積等于 Ro 的 RC 乘積以及 Cin 和 Ccomp 的電纜電容的總和時，補(bǔ)償比較理想。Ccomp 用于調(diào)節(jié)補(bǔ)償。輸入端的電容取決于 Cin，約為電路中的其他電容器的總和的十分之一。在本例中大約為 10 pF。
高阻抗無源探頭
幾乎所有主要示波器供應(yīng)商都在他們的設(shè)備中包括了一系列高阻抗探頭。 Teledyne LeCroy 的 HDO4104A 四通道、1 GHz 示波器帶有四個 PP018-1 探頭。它們是 10:1 高阻抗無源探頭，帶寬為 500 MHz，輸入電容為 10 pF。這些探頭可處理至少 350 Vrms 的輸入電壓。
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圖 2： PP018 高阻抗探頭的帶寬為 500 MHz，輸入電容為 10 pF。此處還顯示了它附帶提供的配件。（圖片來源： Teledyne LeCroy）
大多數(shù)無源探頭使用衰減檢測引腳，通知示波器自動縮放波形，而無需用戶輸入。
高阻抗探頭的低頻率補(bǔ)償
高阻抗探頭通過低頻率補(bǔ)償過程，與它們連接到的通道相匹配。對于這個過程，所有示波器都提供低頻率方波，一般頻率為 1 kHz，通常稱為 CAL 輸出。要利用這項(xiàng)功能，請首先將探頭連接到所需的通道，然后將探頭尖端連接到 CAL 輸出端。觸發(fā)示波器并在屏幕上查看選定通道軌跡。使用調(diào)節(jié)工具，在探頭連接器盒中更改補(bǔ)償調(diào)節(jié)，以獲取方波軌跡上的方角，如中間的軌跡所示（圖 3）。
圖 3： 通過調(diào)節(jié)補(bǔ)償調(diào)節(jié)，獲取 CAL 方波上的方角，對探頭進(jìn)行低頻補(bǔ)償，如中間的軌跡所示。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
每當(dāng)探頭連接到不同通道時，就應(yīng)該進(jìn)行補(bǔ)償，特別是在任何關(guān)鍵測量之前。很多高阻抗探頭還提供高頻補(bǔ)償調(diào)節(jié)。通常不需要執(zhí)行這種調(diào)節(jié)。探頭手冊提供了此測試的詳細(xì)信息。
智能探測
要正確應(yīng)用高阻抗探頭，必須注意它的基本原理，避免導(dǎo)致測量的波形出現(xiàn)失真。例如，探頭的輸入電容將對測量產(chǎn)生什么影響？
為了找到問題答案，請計(jì)算探頭在信號的最高頻率分量處的容抗 (1/2πfCin)。受測試電路是否支持該負(fù)載？如果支持，請繼續(xù)測試。如果不支持，請尋找不同的探測解決方案，例如有源探頭（本系列文章的第 2 部分）。一條很好的經(jīng)驗(yàn)法則是，高阻抗探頭的使用應(yīng)限于 25 MHz 以下頻率的信號。探頭手冊通常提供了探頭輸入阻抗與頻率的曲線圖，以幫助評估探頭在任何特定頻率下的適用性。
探頭配件也可能導(dǎo)致問題，特別是在高頻率下。一種情況是接地引線電感。圖 2 顯示的接地引線長度約為 4.3 英寸 (11 cm)。它有很大的電感。當(dāng)探頭連接時，電感兩端的任何電壓都將與信號串行。讓接地路徑長度盡可能短是可取的做法。為此，探頭附帶提供了多種配件。其中包括探頭尖端接地和 BNC 適配器，可用于這種目的。圖 4 比較了使用不同接地配件來測量階躍信號的結(jié)果，上升時間為 3 納秒 (ns)。
圖 4： 顯示接地引線電感對信號的影響：讓接地引線盡可能短是可取的做法，因?yàn)樗c信號串行產(chǎn)生電感。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
圖 4 中的黃色軌跡是來自發(fā)生器的信號，它使用 50 Ω 輸入端接進(jìn)行測量得到，將作為信號質(zhì)量的基準(zhǔn)。紅色軌跡為使用 11 cm 接地引線的結(jié)果。引線電感兩端形成的信號的高頻分量導(dǎo)致了可觀察到的波形過沖。探頭尖端接地和 BNC 適配器具有大致相同的響應(yīng)，但過沖卻小得多，因?yàn)榻拥芈窂介L度更短，且各自串聯(lián)電感也比較低。
正如上文所述，只有在信號具有很大的高頻分量時，才會出現(xiàn)這種效果。如果使用正弦波進(jìn)行相同的測量，差異可能根本不明顯。在使用探頭時，請牢記這些效應(yīng)。
探頭配件及其用途
表 1 列出了 PP018-1-ND 探頭附帶提供的配件及其用途。
| 配件組件使用彈簧鉤與探頭尖端相連，固定在電路測試點(diǎn)或元器件上帶鱷魚夾的接地引線連接到探頭接地環(huán)，為探頭提供回路連接BNC 適配器安裝到探頭尖端上，讓探頭能夠插入 BNC 插孔，提供信號和接地連接探頭尖端接地安裝在探頭尖端接地套管周圍，為受測試電路提供短接地連接IC 尖端絕緣體在探頭尖端上，可以提供絕緣，讓尖端能夠在 IC 的引腳之間切換，讓探頭能夠接觸一個引腳，而同時與相鄰引腳絕緣尖端絕緣體安裝在探頭尖端上，為探頭尖端提供絕緣，但最尖端部分除外用于在元器件間距很近的電路板上進(jìn)行探測，防止出現(xiàn)短路通道標(biāo)識環(huán)滑到探頭和探頭連接器盒上的槽中顏色可與探頭連接到的通道的軌跡顏色相匹配調(diào)節(jié)工具用于調(diào)節(jié)低頻和高頻補(bǔ)償調(diào)節(jié)器更換尖端探頭的備用尖端，以防原尖端損壞 |
表 1： PP018 探頭附帶提供的配件及其用途（請參考圖 2）。（信息來源： Digi-Key Electronics）。
為示波器選擇備選探頭
有些時候，測量應(yīng)用可能需要不同的示波器探頭。例如，電源測試既需要直接連接，以便進(jìn)行紋波測量，又需要 x10 高阻抗探頭，以便測量電壓軌。如果必須在兩個探頭之間切換，那將會耗費(fèi)很多時間，但 Digi-Key 列出了多個 x1/x10 可切換探頭。這意味著用戶無需更換探頭，但如何確定適當(dāng)?shù)奶娲筋^呢？
第一個步驟是確定測量所需的帶寬。在本例中，100 MHz 以下的探頭帶寬即可滿足需求。確定探頭的最大額定電壓，以確保它符合測量要求。最后，確認(rèn)示波器的輸入電容在探頭 x10 規(guī)范的補(bǔ)償范圍內(nèi)。
SP300B x1/x10 可切換探頭非常適合與具有 15 pF 輸入電容的 HDO 4104A 示波器配合使用，帶寬為 300 MHz，最大輸入為 300 伏特，補(bǔ)償范圍為 10 至 35 pF。
結(jié)論
要正確應(yīng)用高阻抗無源探頭，就需要掌握有關(guān)測試問題和技術(shù)的基本知識，還需要具備一些經(jīng)驗(yàn)，此類探頭是一種很好的通用工具，用于將示波器連接到測試電路。請記住，它們并不是探測問題的唯一解決方案，但提供了經(jīng)濟(jì)高效的著手點(diǎn)。
