姓名：仝啟龍 ? 學號：17101223413
本文轉自
http://blog.sina.com.cn/s/blog_5d713e7a0100n2vx.html?
【嵌牛導讀】
示波器因為有探頭的存在而擴展了示波器的應用范圍雏节，使得示波器可以在線測試和分析被測電子電路
【嵌牛鼻子】探頭的負載效應沈条，探頭的類型
【嵌牛提問】探頭的負載效應是什么盟步？探頭的類型有哪些浆劲？
【嵌牛正文】
探頭的選擇和使用需要考慮如下兩個方面：
其一：因為探頭有負載效應，探頭會直接影響被測信號和被測電路讲衫；
其二：探頭是整個示波器測量系統(tǒng)的一部分逛裤，會直接影響儀器的信號保真度和測試結果狈蚤。
一、探頭的負載效應
當探頭探測到被測電路后整陌，探頭成為了被測電路的一部分拗窃。探頭的負載效應包括下面3部分：
1.阻性負載效應；
2.容性負載效應泌辫；
3.感性負載效應随夸。
阻性負載相當于在被測電路上并聯(lián)了一個電阻，對被測信號有分壓的作用震放，影響被測信號的幅度和直流偏置宾毒。有時，加上探頭時殿遂，有故障的電路可能變得正常了诈铛。一般推薦探頭的電阻R>10倍被測源電阻邪锌，以維持小于10%的幅度誤差。
容性負載相當于在被測電路上并聯(lián)了一個電容癌瘾，對被測信號有濾波的作用觅丰，影響被測信號的上升下降時間，影響傳輸延遲妨退，影響傳輸互連通道的帶寬妇萄。有時，加上探頭時咬荷，有故障的電路變得正常了冠句，這個電容效應起到了關鍵的作用。一般推薦使用電容負載盡量小的探頭幸乒，以減小對被測信號邊沿的影響懦底。
感性負載來源于探頭地線的電感效應，這地線電感會與容性負載和阻性負載形成諧振罕扎，從而使顯示的信號上出現(xiàn)振鈴聚唐。如果顯示的信號上出現(xiàn)明顯的振鈴，需要檢查確認是被測信號的真實特征還是由于接地線引起的振鈴腔召，檢查確認的方法是使用盡量短的接地線杆查。一般推薦使用盡量短的地線，一般地線電感=1nH/mm臀蛛。
二亲桦、探頭的類型
示波器探頭大的方面可以分為：無源探頭和有源探頭兩大類。無源有源顧名思義就是需不需要給探頭供電浊仆。
無源探頭細分如下：
1. 低阻電阻分壓探頭客峭；
2. 帶補償?shù)母咦锜o源探頭（最常用的無源探頭）；
3. 高壓探頭
有源探頭細分如下：
1. 單端有源探頭抡柿；
2. 差分探頭舔琅；
3. 電流探頭
最常用的高阻無源探頭和有源探頭簡單對比如下：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 表1有源探頭和無源探頭對比
低阻電阻分壓探頭具備較低的電容負載（<1pf)，較高的帶寬（>1.5GHz）沙绝，較低的價格搏明，但是電阻負載非常大，一般只有500ohm或1Kohm闪檬，所以只適合測試低源阻抗的電路星著，或只關注時間參數(shù)測試的電路。
帶補償?shù)母咦锜o源探頭是最常用的無源探頭粗悯，一般示波器標配的探頭都是此類探頭虚循。帶補償?shù)母咦锜o源探頭具備較高的輸入電阻（一般1Mohm以上），可調的補償電容，以匹配示波器的輸入横缔，具備較高的動態(tài)范圍铺遂，可以測試較大幅度的信號（幾十幅以上），價格也較低茎刚。但是不知之處是輸入電容過大（一般10pf以上）襟锐，帶寬較低（一般500MHz以內）。
帶補償?shù)母咦锜o源探頭有一個補償電容膛锭，當接上示波器時粮坞，一般需要調整電容值（需要使用探頭自帶的小螺絲刀來調整，調整時把探頭連接到示波器補償輸出測試位置）初狰，以與示波器輸入電容匹配莫杈，以消除低頻或高頻增益。下圖的左邊是存在高頻或低頻增益奢入，調整后的補償信號顯示波形如下圖的右邊所示筝闹。
高壓探頭是帶補償?shù)臒o源探頭的基礎上，增大輸入電阻腥光，使得衰減加大（如：100:1或1000:1等)关顷。因為需要使用耐高壓的元器件，所以高壓探頭一般物理尺寸較大柴我。
三解寝、有源探頭
我們先來觀察一下用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測試1ns上升時間階躍信號的影響扩然。使用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個1ns的階躍信號艘儒，通過測試夾具后，使用SMA電纜直接連接到一個1.5GHz帶寬的示波器上夫偶，這樣示波器上會顯示一個波形（如下圖中的蘭色信號）界睁，把這個波形存為參考波形。然后使用探頭點測測試夾具去探測被測信號兵拢，通過SMA直連的波形因為受探頭負載的影響而變成黃色的波形翻斟，探頭通道顯示的是綠色的波形。然后分別測試上升時間说铃，可以看出無源探頭和有源探頭對高速信號的影響访惜。
具體測試結果如下：
使用1165A： 600MHz無源探頭，使用鱷魚嘴接地線：受探頭負載的影響腻扇，上升時間變?yōu)椋?.9ns债热；探頭通道顯示的波形存在振鈴，上升時間為：1.85ns;
使用1156A： 1.5GHz有源探頭幼苛，使用5cm接地線：受探頭負載的影響較小窒篱，上升時間仍為：1ns；探頭通道顯示的波形與原始信號一致，上升時間仍為：1ns墙杯。
單端有源探頭結構圖如下配并，使用放大器實現(xiàn)阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高（一般達100Kohm以上）高镐，而輸入電容較懈刃（一般小于1pf)，通過探頭放大器后連接到示波器嫉髓，示波器必須使用50ohm輸入阻抗低滩。有源探頭帶寬寬（現(xiàn)在可達30GHz），而負載小岩喷，但是價格相對較高（一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10%左右)恕沫，動態(tài)范圍較小（這個需要注意纱意，因為超過探頭動態(tài)范圍的信號婶溯，不能正確測試。一般動態(tài)范圍5V左右）偷霉，比較脆弱迄委，使用需小心。
差分探頭結構圖如下类少，使用差分放大器實現(xiàn)阻抗變換的目的叙身。差分探頭的輸入阻抗較高（一般達50Kohm以上），而輸入電容較辛蚰（一般小于1pf)信轿，通過差分探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm輸入阻抗残吩。差分探頭帶寬非常寬（現(xiàn)在可達30GHz）财忽，負載非常小，具有較高共模抑制比泣侮，但是價格相對較高（一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10%左右)即彪，動態(tài)范圍也較小（這個需要注意活尊，因為超過探頭動態(tài)范圍的信號隶校，不能正確測試。一般動態(tài)范圍3V左右）蛹锰，比較脆弱深胳，使用需小心。
差分探頭適合測試高速差分信號（測試時不用接地）宁仔，適合放大器測試稠屠，電源測試峦睡，適合虛地測試等應用。
電流探頭也是有源探頭权埠，利用霍爾傳感器和感應線圈實現(xiàn)直流和交流電流的測量榨了。電流探頭把電流信號轉換成電壓信號，示波器采集電壓信號攘蔽，再顯示成電流信號龙屉。電流探頭可以測試幾十毫安到幾百安培的電流，使用時需要引出電流線（電流探頭是把導線夾在中間進行測試的满俗，不會影響被測電路）转捕。
電流探頭在測試直流和低頻交流時的工作原理：
當電流鉗閉合，把一通有電流的導體圍在中心時唆垃，響應地會出現(xiàn)一個磁場五芝。這些磁場使霍爾傳感器內的電子發(fā)生偏轉，在霍爾傳感器的輸出產(chǎn)生一個電動勢辕万。電流探頭根據(jù)這個電動勢產(chǎn)生一個反向（補償）電流送至電流探頭的線圈枢步，使電流鉗中的磁場為零，以防止飽和渐尿。電流探頭根據(jù)反向電流測得實際的電流值醉途。用這個方法，能夠非常線性的測量大電流砖茸，包括交直流混合的電流隘擎。
電流探頭在測試高頻時的工作原理：
隨著被測電流頻率的增加，霍爾效應逐漸減弱凉夯，當測量一個不含直流成分的高頻交流電流時货葬，大部分是通過磁場的強弱直接感應到電流探頭的線圈。此時恍涂，探頭就像一個電流變壓器宝惰，電流探頭直接測量的是感應電流，而不是補償電流再沧，功放的輸出為線圈提供一個低阻抗的接地回路。
流探頭在交叉區(qū)域時的工作原理：
當電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區(qū)域時尊残，部分測量是通過霍爾傳感器實現(xiàn)的炒瘸，另一部分是通過線圈實現(xiàn)的。
四寝衫、有源探頭附件
現(xiàn)代的高帶寬有源探頭都采用分離式的設計方法顷扩，即：探頭放大器與探頭附件部分分開。這樣設計的好處是：
1慰毅、支持更多的探頭附件隘截，使得探測更加的靈活；
2、保護投資婶芭，最貴的是探頭放大器（一個探頭放大器可以支持多種探測方式，以前需要幾個探頭來實現(xiàn)）；同時探頭附件保護探頭放大器（探頭附件即使損壞叶沛，價格也相對便宜）硫眯；
3、這種設計方式容易實現(xiàn)高帶寬呵哨。
這些探頭附件赁濒，主要包括以下幾種：
1、點測探頭附件（包括：單端點測和差分點測）孟害；
2拒炎、焊接探頭附件（包括：單端焊接和差分焊接，分離式的ZIF焊接）挨务；
3枝冀、插孔探頭附件；
4耘子、差分SMA探頭附件（示波器一般直接支持SMA連接果漾，但是如果被測信號需要上拉如HDMI，則必須使用SMA探頭附件）谷誓。
探頭附件的電路結構如下圖所示：
1绒障、在探頭附件尖端部分會有一對阻尼電阻（一般82ohm），這對阻尼電阻的作用是消除探頭附件尖端部分的電感的諧振影響捍歪；
2户辱、探頭尖端部分的后面是25Kohm的電阻，這個電阻決定了探頭的輸入阻抗（直流輸入阻抗即電阻：單端25Kohm糙臼，差分50Kohm）庐镐，這個電阻使得被測信號傳輸?shù)教筋^放大器部分的功率是非常小的，不至于對被測信號有較大影響变逃。
3必逆、25Kohm的電阻后面是同軸傳輸線部分，這個傳輸線負責把小信號傳輸?shù)椒糯笃骼柯摇＿@個傳輸線的長度可以很長名眉，也可以很短，中間可以加衰減器凰棉，也可以加耦合電容损拢。
4、同軸傳輸線連接到放大器撒犀，放大器是50ohm匹配的（差分100ohm匹配）福压。
有源探頭為了保持探頭的精確度掏秩，需要工作在恒溫狀態(tài)，所以探頭放大器不能放置到高低溫箱里進行高低溫環(huán)境下被測電路板的測試荆姆。從探頭附件結構中可見中間的50ohm傳輸線的長短不影響探測蒙幻，所以可以用很長的同軸電纜或擴展同軸電纜，讓這個同軸電纜伸進高低溫箱里進行高低溫換進下被測電路板的測試胞枕。如下圖是N5450A擴展電纜杆煞，使用N5381A焊接探頭附件，可以工作在-55°到150°溫度范圍腐泻。
使用N5450A擴展電纜和N5381A探頭附件决乎，使用1169A 12GHz探頭放大器，在-55°和150°環(huán)境下的頻響曲線如下圖所示派桩，可見能夠滿足高速信號測試的要求构诚。
五、探頭及附件準確度驗證
下圖是一個例子：被測信號是一個頻率456MHz铆惑，邊沿時間約65ps的時鐘信號范嘱，分別使用不同類型的探頭和探頭附件的測試結果。
A圖是使用12GHz的1169A差分探頭和N5381A 12GHz焊接探頭附件的測試結果员魏，幾乎完全復現(xiàn)被測信號丑蛤；
B圖是使用500MHz的無源探頭的測試結果，顯示的信號完全失真撕阎；
C圖是使用12GHz的1169A差分探頭和較長的測試引線的測試結果受裹，顯示的信號出現(xiàn)很大的過沖；
D圖是使用4GHz的1158A單端探頭和較長的測試引線的測試結果虏束，顯示的信號幾乎是正弦波棉饶，失真較大。
從圖中可見探頭和探頭附件對測試精確度的影響是非常大的镇匀，是我們測試高速信號應該重點注意的內容之一照藻。那我們應該如何驗證探頭和探頭附件呢？
驗證探頭和探頭附件需要使用一臺脈沖碼型發(fā)生器（如:81134A汗侵，3.35GHz速率幸缕，60ps邊沿的脈沖碼型發(fā)生器），如果示波器自帶高速信號輸出功能晃择，也可以使用示波器的這個輔助輸出口代替脈沖碼型發(fā)生器（如:Infiniium示波器的AUX OUT端口可以發(fā)一個高速時鐘：456MHz頻率冀值，約65ps邊沿）。另外宫屠，需要同軸電纜和測試夾具（Infiniium示波器配置的探頭校準夾具可以作為探頭和探頭附件驗證測試夾具）。測試夾具的外表是地(Ground)滑蚯，里面走線是信號(Signal)浪蹂，如下圖所示抵栈。使用時，通過同軸電纜把一端接到脈沖碼型發(fā)生器或示波器的輔助輸出AUX OUT端口坤次，另外一端通過適配器連接到示波器的通道1上古劲。
然后把被驗證的探頭連接到通道2上，探頭通過探頭附件可以接觸到測試夾具的信號和地（如果是差分探頭缰猴，那么把+端連接到測試夾具的信號線产艾，把-端連接到測試夾具的地上）。
1滑绒、如果探頭不接觸信號線闷堡，則屏幕上會出現(xiàn)一個原始波形，存為參考波形疑故；
2杠览、當用探頭探測信號線時，通道1的波形會發(fā)生變化纵势，這個變化后的波形就是被探頭和探頭附件影響后的被測信號踱阿；
3、這時钦铁，連接探頭的通道2會出現(xiàn)一個波形软舌，這個波形是探頭測試到的波形；
4牛曹、通過對比參考波形佛点，通道1的波形，和連接探頭的通道2的波形躏仇，就可以直觀的看出或通過測試參數(shù)讀出三者的差別恋脚，可以驗證探頭和探頭附件的影響。
下圖是實際驗證的一個例子焰手，圖A把示波器的AUX OUT通過同軸電纜連接到測試夾具糟描，測試夾具的另一端通過SMA-PBNC適配器連接到示波器的一個通道上（此例連接到通道3），把探頭連接到通道1上书妻，此時調整屏幕上的波形船响，使得出現(xiàn)一個邊沿階躍波形，如圖C所示躲履，并把此波形存為參考波形见间。如圖B把被驗證探頭和附件點測到測試夾具上，如圖D所示工猜，屏幕上出現(xiàn)3個波形米诉，蘭色的是參考波形，綠色的是受探頭影響后的被測波形篷帅，黃色的是探頭顯示的波形史侣，通過測試上升時間參數(shù)拴泌，過沖參數(shù)等，可確認探頭和探頭附件的性能惊橱。
