示波器探頭選擇要素

在為示波器應用選擇合適的測量工具時，往往事后才會想到探頭。許多工程師在選擇示波器時，首要考慮的通常是帶寬、采樣率和通道數量需求，然后才是如何讓信號進入示波器。
　　但實際上，探頭的選擇也是至關重要的一個環節。為您的應用選擇合適的探頭以及如何使用探頭，是實現可靠的示波器測量*的步驟。本文為您介紹與探頭選擇相關的一些常見考慮因素，以及改善示波器探測的一些技巧。
　　選擇無源探頭還是有源探頭？
　　當您購買中低檔示波器時，通常每個示波器通道會標配一個高阻抗無源探頭。相比有源探頭而言，無源探頭更堅固、更便宜。示波器輸入端接 1 M? 的阻抗時，它們能提供寬動態范圍和超過 500 MHz 的帶寬。
　　對于是否需要標準無源探頭以外的其他探頭，您可能會碰到一個難題。考慮到標準的無源探頭是針對大范圍探測連接而設計的通用工具，如果要測量具有快速上升/下降時間的高速信號，建議采用具有足夠帶寬的有源探頭。同樣，差分或電流信號的測量也采用有源差分或電流探頭。因此，可以考慮的或在小范圍內有更好表現的有源探頭。如果按照設計的方式正確使用這些特殊探頭的話，每一根探頭都能達到*效果。
　　單端、差分或多模
　　示波器在測量信號時以一個公共參考點(即接地)作為基準。使用示波器和標準單端探頭測得的信號，等于被測器件的特定點與接地之間的電勢差。
　　如果您需要測量電路中不同元器件上的電壓，而這些元器件未與接地連接，那么您需要進行差分測量。對此，您需要使用差分探頭。由于差分探頭內的差分放大器會放大兩個探測點之間的信號差，因此，它會抑制兩點上共有的電壓，并將兩個點之間的電勢差提取到示波器的輸入。
　　差分探頭是高帶寬示波器用戶的常用工具，但該探頭很難顯示組成差分信號的單獨分量。為了測量差分信號的單端和共模分量，用戶迫切需要一款具有高速數據信號測量功能的示波器探頭。新型多工作模式示波器探頭，例如是德科技的 InfiniiMode 差分探頭，提供了多種工作模式，可以通過單次連接來測量差分信號的單端、差分和共模性。
　　帶寬
　　示波器和探頭的帶寬被定義為幅度降低 3dB 時的頻率響應。大多數帶寬指標為 1 GHz 或更低的示波器或探頭通常具有所謂的高斯響應，在 -3dB 頻率約三分之一處開始呈現緩慢的滾降特性。帶寬指標超過 1 GHz 的示波器通常具有zui平坦的頻率或磚墻響應，并在 -3dB 點附近具有更為陡峭的滾降特性。
　　例如，如果您將具有相同帶寬頻率的正弦波放入探頭，那么，您從 1 V 峰-峰值正弦波得到的 -3dB 帶寬在探頭輸出端約為 0.7V 峰-峰值。因此，在 -3dB 點，該正弦波的幅度測量有大約 30% 的誤差。
　　根據經驗，探頭(或示波器)帶寬應大于或等于您系統上zui快信號帶寬的 3 倍到 5 倍，以免造成信號頻率分量的衰減。因此，您必須首先確定哪些是具體信號的zui快上升或下降時間，并從中推算出信號帶寬。如果您參考的是特定的通信標準，那么您應該能夠找到該標準對于zui快上升/下降時間做出的規定。確定zui快上升/下降時間之后，請使用以下公式，根據您所采用的閾值來確定信號的帶寬。對于 10% - 90% 的測量，
　　
　　高斯帶寬*TR = 0.35
　　
　　磚墻帶寬*TR = 0.4
　　
　　請記住，決定信號帶寬的不是時鐘頻率，而是上升時間或下降時間。而且，探頭附件往往會對整個帶寬造成很大影響，因此也應當對探頭附件加以考慮，以優化探頭的帶寬。
　　探頭負載
　　當您將示波器探頭與電路相連接時，探頭成為被測電路的一部分，探頭的電氣特性會對整個測量系統的響應和被測器件的操作帶來影響。探頭將電阻、電容和電感負載引入到被測器件。
　　在探頭負載的這三個來源中，電容性負載往往zui麻煩，它會影響到帶寬、上升或下降時間和延遲。電容性負載通常會改變被測波形的形狀。
　　這里有一個被測器件的圖表和與被測器件相連的探頭的簡化電氣模型。在理想情況下，V輸入(探頭輸入端的電壓)應當與 V 源(被測器件在探測之前的電壓)相同。在現實中，由于探頭與被測器件相連，被測器件和探頭的阻抗決定了探頭輸入端的電壓。這是一個簡單的電阻分壓器電路。
　　
　　在直流電路上，探頭的電阻決定了負載特性，而探頭的容抗對測量沒有幫助，因為直流的容抗(Xc)是無限的。然而，隨著頻率升高，容抗變小，成為負載的主要來源，探頭從被測器件上汲取越來越多的能量。
　　現代高帶寬探頭采用 DSP(數字信號處理)校正技術，以確保平坦的頻率響應特性。然而，探頭負載特性是以物理方式確定的，并且仍然影響被測器件的操作。大多數制造商會對探頭的輸入電阻和電容大小做出規定，這些值也決定了負載特性。示波器探頭校正濾波器可以調整頻率響應，使示波器屏幕上的波形看起來更加平坦，但即使校正探頭之后，實際探頭負載也還是會影響到測量性能。我們無法違抗物理定律。
　　
　　探頭噪聲
　　
　　許多工程師都關注探頭/示波器的固有噪聲對測量的影響。有多種因素會對測量的噪聲系數產生影響。不過，您要考慮的一個zui重要的特性是信噪比。通常，探頭的衰減比越小，會導致信噪比越高、噪聲越低，但同時，它會帶來較低的輸入電阻、較低的動態范圍和較低的共*圍等。這之間有一些權衡。評測探頭噪聲量的一種簡單方法是檢查衰減比和探頭數據表或手冊中規定的探頭的噪聲電平。
　　在理解探頭噪聲特性時，要注意的一個方面是，示波器探頭制造商的探頭噪聲通常為其 ein(等效輸入噪聲)。一些制造商通常將這個指標稱為等效輸入噪聲的“XmVrms”。其他人將其稱為噪聲頻譜的“nV/rtHz”。通過代入探頭帶寬或使用這個公式，我們可以將一個數量轉換為另一個數量；噪聲頻譜＝ein/sqrt(帶寬)。兩者都是以探頭輸入為基準的探頭噪聲特性， 與示波器屏幕上顯示的值可能有所不同。
　　測量系統由示波器和探頭組成，表征測量系統產生的基線噪聲，并驗證所使用的工具適合于手頭的任務是一種很好的做法。首先，設置示波器和探頭，因為它們將根據電壓/格、時基和連接附件使用，然后短接輸入，并對基線噪聲進行測量。如果基線噪聲的測得值高于您所期待的本底噪聲，那么您可能需要尋找符合您需求的另一個測量解決方案。
　　
　　探針附件
　　
　　測量系統的性能由其zui薄弱的環節決定。示波器或探頭的帶寬始終是關鍵的技術指標，但是，測量系統不只有示波器和探頭。
　　事實上，示波器往往“不”是測量系統中zui薄弱的環節。測量系統還包括探頭、電纜、連接器和夾具。這些元素中的每一個都有可能比示波器帶來更大的帶寬損耗。而與探頭和探頭附件不一樣的是，電纜和連接器通常具有非常低的損耗。
　　如果您看到高帶寬探頭在探針處具有比同類探頭明顯更長的輸入導線，就有理由懷疑其會造成頻率響應變異和退化。一般情況下，探針的輸入線或導線越長，它對帶寬下降、負載增加的影響也就越大，造成非平坦的頻率響應，并導致在掃描帶寬和探頭連線以及環境發生改變時產生更多的變化。由于該系統的帶寬為 1 GHz 以上，在判定系統性能時，探針效應可能會發揮更重要的作用。探針處可能出現非常顯著的探頭偏差。如果可能的話，請保持探針引線盡可能小，并保持連接的環路面積盡可能小。而且，如果使用單端探頭的話，請保持低電感接地連接長度短、厚度大。
　　
　　探頭響應校正
　　
　　對于高帶寬有源探頭而言，探頭響應校正已變得日漸普遍。探頭zui常見的校正方法是直流調整，它又引起探頭的直流增益和偏置的調整。這種方法已用于大量的無源和有源探頭，以便對直流增益和偏置系數實施妥善補償。
　　隨著示波器性能提升到幾 GHz 水平，直流校正方法不足以用于高頻響應的表征和校正。交流校正是指隨著頻率變化的校正方案，旨在調整探頭的交流響應特性，使之與理想探頭的特性一致，所具有的平坦頻率響應達到其額定帶寬(-3dB 點)。在探頭、探頭前端附件和示波器的發展過程中，制造商準確地測量多個器件的 S 參數，對其特性求平均值，并創建出代表常見探頭和示波器系統的校正過濾器。這種形式的校正使得標稱校正的準確度顯著提升，且不會給示波器用戶帶來其他任何不便。
　　不過，關于探頭校正還有一個重要因素需要牢記在心。探頭校正方法對探頭標準配置和制造商所提供的探針附件加以校正。某些示波器用戶會打造自身的定制探針，或對其設計目的進行修改。探針的變化會使得探頭的特性發生急劇變化，不再能通過工廠校正來捕獲并校正。
　　
　　交流校正方法使平坦頻率響應提高到探頭的額定帶寬
　　
　　*的技術，使探頭系統朝著更高的性能發展，為用戶提供更多的選擇。如果探頭的設計不能用于建立具有良好信號完整性的連接，那么探針下游的昂貴設備也于事無補。這篇文章概要介紹了選擇和使用探頭的實際考量、克服測量挑戰以及驗證探頭測量結果并樹立測量信心的方法。