在選擇和使用示波器探頭中最容易忽略的幾點問題：

第 1 個錯誤：不了解示波器探頭的關鍵技術指標

第 2 個錯誤：選擇的探頭帶寬不合適

第 3 個錯誤：沒有考慮探頭負載效應

第 4 個錯誤：不確定應該選擇有源探頭還是無源探頭

第 5 個錯誤：忘了考慮連接帶寬和負載效應

第 6 個錯誤：低估了衰減比

第 1 個錯誤，不了解關鍵技術指標：

如果您不知道應該關注示波器探頭的哪些關鍵技術指標，那么就不可能確定自己的需求。技術資料通常包含大量數字列表。哪些才是您需要關注的?

人們最熟悉的技術指標就是帶寬。探頭的帶寬范圍從直流一直到大約 30 GHz。對帶寬的一個常見誤解是以為帶寬越大，可以看到的數據就越多。但事實并非總是如此。隨著帶寬的增加，許多關鍵技術指標都會發生變化，它們也是需要考慮的重要因素。

圖 1. 不斷提高的帶寬如何影響其他關鍵技術指標。

噪聲在各個頻率之間均勻分布。這意味著探頭帶寬越高，引入的頻率越多，進入信號的噪聲也越多。為了防止發生這種情況，您應該根據下一節中介紹的計算方法，只使用需要的帶寬。而且，還需要借助更專業化的探頭來測量更高頻率。當然，這需要加大開發力度，才能為敏感元件創造出如此專業化但成本較高的產品。使用帶寬超過需求的探頭可能會帶來額外的成本、工作量和噪聲，這些要素可能會大大地影響您的測量結果。

各類探頭都有優點和缺點，對于您所進行的特定測試，您需要選擇更合適的探頭。充分理解關鍵技術指標，理解其對您的意義，將使探頭選型變得更加容易。我們認為，與其查看技術資料中那些冗長的技術指標列表，不如研究文檔其余部分更重要。

第 2 個錯誤：選擇的探頭帶寬不合適

如果使用的探頭帶寬不正確，那么您可能會遺失信號細節，或者為系統引入不必要的噪聲。為了加深理解，我們先來討論帶寬的意義。探頭帶寬本質上就是 3 dB 點。3 dB 點是指探頭輸出相對于標稱響應減少 3 dB 時的頻率。

圖 2. 3 dB 點的顯示結果。

假設用 1:1 探頭測量 1 Vpp 的低頻正弦波。由于您使用的是 1:1 探頭，因此進入示波器的探頭輸出將等于設備輸入探頭的實際信號。但是，如果繼續增加此 1 Vpp 信號的頻率，那么最終您將到達一個點，在該點上探頭輸出遠遠小于輸入探頭的實際信號。當您看到示波器屏幕上的輸出相對于 1 Vpp 輸入降為 0.7 Vpp 時，那么就表示您到達了 3 dB 點，因為相對于其標稱響應，輸出減少了 3 dB。

圖 3. 隨著頻率增加出現 3 dB 點的示例。

現在您已經了解了 3 dB 點理論，您可以利用它來改善測試。選擇適合探頭的第一步是了解信號的帶寬。要確定信號帶寬(BW)，可以使用以下簡單公式：如果我們測量的是 10% 和 90% 的閾值，則信號帶寬等于上升時間除以 0.35。如果測量的是 20% 和 80% 的閾值，則信號帶寬等于上升時間除以 0.22。

計算完信號帶寬后，可根據以下兩個經驗選擇探頭帶寬：

– 探頭帶寬應該比模擬應用中最快的正弦波頻率高 3 倍

– 探頭帶寬應該比數字應用的最高數字時鐘速率快 5 倍

根據這些快速計算方法，您可以大致確定何種探頭帶寬適合您的應用。隨著上升時間加快，信號帶寬隨之增加，這意味著您需要帶寬更高的探頭。但請記住，帶寬過高也會帶來麻煩。

另一種考慮帶寬的方法是以諧波為基礎。一般而言，探頭帶寬越高，捕捉到的諧波越多，二者都會使信號精度稍有提高。如下面圖 5 所示，原始信號為黃色跡線，一階諧波為綠色跡線。您可以看到，它們具有相同的周期和占空比，但一階諧波的上升沿明顯較慢，并且拐角非常圓滑。藍色跡線顯示一階和三階諧波，其上升沿較快，角點變得更清晰。但在圖像的底部，我們可以看到一階、三階和五階諧波。其邊沿平緩，拐角銳利，信號頂部和底部有很多細節。帶寬越高，波形將顯露出越多的細節。

圖 5. 更高的帶寬意味著更多諧波及更豐富的信號細節。

了解了上面的規律，我們來看一個用 100 MHz 探頭測量 100 MHz 時鐘的例子。完成這個測量后，您最終將會在屏幕上看到如圖 6 所示的正弦波。因此，您無法得到準確的上升時間或任何真正的信號細節。這意味著您所做的任何測量都是不準確的，毫無意義。

圖 6. 使用 100 MHz 探頭測量 100 MHz 時鐘信號。

但是，如果使用 500 MHz 探頭測量相同的 100 MHz 信號，您就會有足夠的帶寬來捕獲更多的諧波，從而得到更精確的信號表示。

圖 7. 使用 500 MHz 探頭測量 100 MHz 時鐘信號。

由此可見，為您要處理的信號選擇合適的探頭帶寬是多么重要。但帶寬過高也不好，過猶不及。在確定多大帶寬適合您的應用并選擇正確的探頭時，這些理論和快速計算方法可以幫助您不犯錯誤。

第 3 個錯誤：沒有考慮到探頭負載效應

探頭一旦與示波器連接并與器件接觸，它就成為電路的一部分。問題是，探頭帶給器件的電阻、電容和電感負載效應將影響您在屏幕上看到的信號。這種負載效應是您需要考慮的重要因素。有時這種效應很小，甚至注意不到，但如果負載效應過大，它所改變的就不僅僅是您在屏幕上看到的內容。它還會影響器件的工作狀態。顯然，您希望盡可能減少負載效應。可惜，由于這是寄生的負載效應，您將永遠無法完全消除它，但對它了解得越多，就越可能幫助您減少它對器件的影響。

在圖 8 的基本探頭模型中，您可以看到無源探頭的電感、電容和電阻。電阻是一個分立元件，這意味著它被設計在探頭末端，以便將探頭從電路中隔離開來并盡量減小負載效應。探頭電容是設計中的電容元器件和寄生電容共同形成的結果。

圖 8. 探頭基本原理圖。

圖 9 中的圖形使得這更容易理解。注意圖形左邊，在直流頻率范圍內，輸入阻抗約為 100 kΩ。對信號來說，這看起來像是一個 100 kΩ 接地電阻。但是，在圖形右側的 MHz 區域內，阻抗開始下降，因為電容的阻抗與頻率成反比。因此，隨著頻率變高，電容開始變得比電阻更容易接地。

圖 9. 電容的阻抗與頻率成反比。

有源探頭的負載效應遠遠小于無源探頭，因為無源探頭僅由電阻和電容元件制成。有源探頭的負載效應遠遠小于無源探頭，因為無源探頭僅由電阻和電容元件制成。

第 4 個錯誤：不確定應該選擇有源探頭還是無源探頭

首先我們來看一個無源探頭與有源探頭對比的示例，如圖 10 所示。這里對比的是阻抗和頻率。繼續考慮探頭負載效應，大部分工程師在閱讀探頭技術資料時，關注點都在電阻上。他們或許會比較無源探頭的 10 MΩ 電阻與有源探頭的 1 MΩ 電阻，然后想： “無源探頭的電阻更大，這說明負載效應更低。”但是，他們真正應該考慮的是我們在上面討論過的另一個重要因素，即電容。您可以比較圖 10 中無源探頭的 9.5 pf 電容與有源探頭的 1 pf 電容。

圖 10. 有源探頭和無源探頭對比。

圖 10 底部的圖形可以幫助您直觀地理解兩種不同電容的阻抗與頻率關系差異。無源探頭的紅色跡線和有源探頭的藍色跡線會在某一點相交叉。兩個探頭有同一阻抗的頻率點為 10 kHz。但是，隨著頻率升高，它們的阻抗看起來差別很大。在 70 MHz 時，無源探頭只有 150 Ω，而有源探頭為 2.5 kΩ。有源探頭的阻抗高得多，這正是您想要的。較高的阻抗將減少電容負載效應。有源探頭的阻抗高得多主要是因為其電容較低。在這種頻率上，電容的作用要遠大于電阻值的作用。因此，千萬不要忘記檢查探頭的電容技術指標。

負載效應在無源探頭和有源探頭之間造成的另一個重要區別是精度。要分析這種情況，最簡單的方法是使用兩種探頭來測量信號的上升時間。圖 11 中的綠色跡線顯示了信號不通過探頭而是使用特殊附件直接進入示波器的情況。可以看到，信號的真實上升時間為 1.1 ns。當無源探頭與器件連接時，紅色跡線出現，此時上升時間測得為 1.5 ns。與真實上升時間相比，偏差 0.4 ns。連接有源探頭后(黃色跡線)，您會發現上升時間測量值與實際值幾乎沒有差別。您甚至都看不到黃色跡線。由于有源探頭的負載效應小得多，因而精度也高得多。

圖 11. 無源探頭和有源探頭負載效應對上升時間的影響對比。

探頭阻抗隨頻率發生變化，有源探頭的阻抗大于無源探頭的阻抗。有源探頭更精確，但也更昂貴。您可能并不總是需要高精度，因此您想評測探頭在需要處理的特定頻率范圍內的負載效應，從而確定其是否在測試的允許范圍內。請記住，始終要注意探頭負載效應的兩個關鍵屬性：電阻和電容。電阻值應盡可能高，電容值應較小，這樣可以獲得更小的負載效應。

第 5 個錯誤：忘了考慮連接帶寬和負載效應

連接帶寬

連接帶寬即探頭與被測器件之間的連接的帶寬。在許多情況下，會在探頭尖端使用附件，更方便地建立牢固連接。但是，這類附件會成為系統中最薄弱的環節，給帶寬帶來限制，盡管您已經選擇了帶寬最適合的示波器和探頭。在確定所需的帶寬和探頭附件時，必須考慮到這一點。

考慮圖 12 中的 2 GHz 有源探頭，從中理解負載效應為什么是測量系統中的最薄弱環節。能夠與探頭搭配的附件有很多種。在第一個例子中，雙引線適配器和夾具抓取器連接到器件。這是一個很短的連接，所以帶寬仍然為 500 MHz。如果您去掉夾具端部，只保留引線，那么連接更短，所以可以看到更好的帶寬。但是，如果將所有附件都完全移除，有可能得到最短的連接，并提供最佳帶寬(2 GHz)。

現在您了解了最薄弱的環節將如何改變您在屏幕上看到的測量結果。但是，實際上在很多情況下使用這樣的附件還是很有必要的，或者由于信號頻率較低，不需要太寬的帶寬，所以可以使用附件。但對于需要更大的帶寬以便看到更快上升時間的應用，千萬不要忘記考慮連接帶寬。連接應盡量短，才能實現盡量大的帶寬。

連接負載效應

屏幕上看到的連接負載效應值與連接帶寬平行。您可以在圖 12 中觀察同一個有源探頭的結果來理解負載效應。使用引線適配器和夾具抓取器時，對信號產生的負載效應相對較低，但還是會有一些。如果完全不連接任何附件，負載效應將降到最低。您可以看到它是如何隨附件而變化的，類似于連接帶寬。不使用任何附件時，負載將會非常小，以至于您很可能在測量中甚至不會注意到它。當您嘗試確定哪些附件最適合您的應用時(如果有的話)，知道這個規律尤其有用。

有一個簡單的技巧可以確定您的器件將會遇到多少連接負載效應。它的名稱是：雙探頭系統。其理論依據是在設計中的同一個位置使用兩個探頭，以估計一個探頭的負載效應。基本上，使用一個探頭和兩個探頭進行測量之間的差異與不用探頭和用一個探頭測量的差異大體相同。

1. 將探頭和附件連接到被測器件

2. 測量信號的上升時間，并保存屏幕上顯示的跡線，以便稍后進行比較

3. 使用相同的裝置/附件將另一個探頭連接到相同點。

圖 12. 不同的連接和帶寬效應。

您可以在示波器屏幕(圖 13)上大略看到負載效應有多大。這就是“單探頭”跡線與 “雙探頭”跡線的差別。看到這些信息，您就可以知道使用不同的探頭和附件將會為系統引入多少負載效應。再重復一遍，探頭末端到被測器件之間的附件或連接越短，您在信號上看到的連接負載效應就越小。

圖 13. 雙探頭法演示。

第 6 個錯誤：低估了衰減比

探頭的另一個重要技術指標是衰減比。大部分應用需要的衰減比各不相同。您需要多大的衰減比，由要測量的信號大小決定。衰減比將決定信號如何饋入示波器，以及最終如何在屏幕上顯示。我們退一步來思考為什么要使用不同的衰減比。示波器是非常靈敏的儀器，只能在一定的電壓范圍內工作，以防止受到損壞。如果您正在處理較大的電壓，則需要通過分壓將電壓降低到示波器的安全電壓范圍內。分壓值就是衰減比，不同的信號和應用需要采用不同的衰減比。

如果您正在處理較高的電壓，則需要使用較高的衰減比，比如說 10:1。這意味著將探頭連接到器件時，在示波器屏幕上看到的信號將僅為器件實際輸出信號的十分之一。如果您正在處理較高的電壓，那么應該將其縮小到原來的十分之一，以適應 ADC 的范圍并正確進行處理。如果您正在處理小電壓，則需要使用較小的衰減比，例如 1:1 探頭。這樣可以盡量充分利用 ADC，讓您更準確地查看小信號。如果使用類似 1:1 探頭這樣的器件來測量大電壓，則信號會被削波，并且無法在屏幕上查看整個信號。衰減比可以從低電壓應用時的 1:1 一路升高到高電壓應用時的 1000:1。不同的衰減比各有優缺點，但再次重申一遍，這要根據信號的大小來決定。使用較高的衰減比會從示波器放大器引入更多噪聲，而使用較低的衰減比意味著噪聲較少，但同時也會對信號產生更大負載效應，有用頻率范圍也顯著降低。

圖 14. 將同一個信號輸入兩個通道，縱軸設置為 5V/格，您可以看到 10:1 探頭(黃色跡線)與 1:1 探頭(綠色跡線)之間的差異。

了解探頭和示波器技術指標有助于您更好地理解衰減比。以圖 15 中的 10:1 探頭原理圖為例。這種探頭通常是示波器的標配探頭。它將一個 9 M? 的探頭末端電阻與示波器的 1 M? 輸入阻抗串聯。探頭末端上的電阻于是就變為 10 M?，意味著進入示波器的信號電壓為探頭末端連接處電壓的 1/10。

圖 15. 探頭和示波器連接原理圖。

根據這些知識，您可以輕松地為應用選擇具有適合衰減比的探頭。這完全取決于您要處理的信號電壓。

理解所有這些關鍵的探頭技術指標，將會幫助您避免其他工程師在示波器探頭選型時常犯的錯誤。

記住不要犯的最大錯誤：絕對不要低估探頭的能力!否則，您所測量的信號與屏幕上顯示的信號之間會出現很大差異。確保您選擇的探頭符合測試中重要技術指標的要求。以上內容由普科科技/PRBTEK整理分享， 西安普科電子科技有限公司致力于示波器測試附件配件研發、生產、銷售，涵蓋產品包含電流探頭、差分探頭、高壓探頭、無源探頭、電源紋波探頭、柔性電流探頭、近場探頭、邏輯探頭、功率探頭和光探頭等。旨在為用戶提供高品質的探頭附件，打造探頭附件國產化知名品牌。