浅谈示波器探头的分类及对测量的影响

浅谈示波器探头的分类及对测量的影响对于示波器来说，其输入接口一般是BNC或者3.5mm等同轴接口。如果被测件的输出使用的是类似的同轴接口连接器，可以通过电缆直接连接示波器；而如果要测试的是PCB板上的信号，或者被测信号使用的不是同轴的连接器，就需要用到相应的示波器探头。任何使用过示波器的人都会接触过探头，通常我们说的示波器是用来测电压信号的（也有测光或电流的，都是先通过相应的传感器转成电压量测量），探头的主要作用是把被测的电压信号从测量点引到示波器进行测量。下图是各种各样的示波器探头。大部分人会比较关注示波器本身的使用，却忽略了探头的选择。实际上探头是介于被测信号和示波器之间的中间环节，如果信号在探头处就已经失真了，那么示波器做的再好也没有用。下图是一个例子，通常的500MHz的无源探头本身的上升时间大约为700ps，通过这个探头来测试一个530ps上升时间的信号，即使不考虑示波器带宽的影响，经过探头后信号的上升时间已经变成了860ps。因此，探头对于测量的影响是不能忽略不计的。对于高斯频响的示波器和探头来说，探头和示波器组成的测量系统的带宽通常可以用以下公式计算：而对于平坦响应的的示波器和探头来说，其组成的测量系统的带宽取决于带宽最小的那部分。由此可见，探头以及连接方式对于测试系统的影响是很大的。实际上探头的设计要比示波器难得多，因为示波器内部可以做很好的屏蔽，也不需要频繁拆卸，而探头除了要满足探测的方便性的要求以外，还要保证至少和示波器一样的带宽，难度要大得多。我们回顾一下示波器的发展历史，很多当时高带宽的实时示波器刚出现时是没有相应带宽的探头的，通常要迟一段时间相应带宽的探头才会推出。要选择合适的探头，首要的一点是要了解探头对测试的影响，这其中包括2部分的含义：探头对被测电路的影响以及探头本身造成的信号失真。理想的探头应该是对被测电路没有任何影响，同时对信号没有任何失真的。遗憾的是，没有真正的探头能同时满足这两个条件，通常都需要在这两个参数间做一些折衷。为了考量探头对测量的影响，我们通常可以把探头的输入电路简单等效为如下图所示的R、L、C的模型（实际上的模型比这个要负责得多），测试时需要把这个模型和我们的被测电路放在一起分析。首先，探头本身有输入电阻。和万用表测电压的原理一样，为了尽可能减少对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe要尽可能大。但由于Rprobe不可能做到无穷大，所以就会和被测电路产生分压，造成实际测到的电压可能不是探头真实的电压，这种情况在一些电源或放大器电路的测试中会经常遇到。为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求探头的输入电阻要大于源阻抗以及负载阻抗至少10倍以上。大部分探头的输入阻抗在几十k欧姆到几十M欧姆间。其次，探头本身有输入电容。这个电容不是刻意做进去的，而是探头的寄生电容。这个寄生电容也是影响探头带宽的最重要因素，因为这个电容会衰减高频成分，把信号的上升沿变缓。通常高带宽的探头寄生电容都比较小。理想情况下探头的寄生电容Cprobe应该为0，但是实际做不到。一般无源探头的输入电容在10pf至几百pf间，带宽高些的有源探头输入电容一般在0.2pf至几pf间。由于寄生的电容的存在，探头的输入阻抗（注意，不是直流输入电阻）随着频率会下降，从而影响探头的带宽。下图是两种常用探头的输入阻抗随频率变化的曲线，两种探头的输入阻抗在直流情况下都是高阻的：最普遍使用的500MHz带宽的高阻无源探头在直流情况下可以有10MΩ的输入阻抗，另一款2GHz带宽的单端有源探头的输入阻抗在直流情况下是1MΩ。但是由于左边的高阻无源探头有更大的寄生电容，因此随着频率的增加，其输入阻抗随频率增加下降得更快，当频率到70MHz时，其输入阻抗已经远远小于寄生电容更小的有源探头。因此，输入寄生电容对于探头带宽的影响是非常大的。再其次，探头输入的信号还会受到寄生电感的影响。探头的输入电阻和电容都比较好理解，探头输入端的电感却经常被忽视，尤其是在高频测量的时候。电感来自于哪里呢？我们知道有导线就会有电感，探头和被测电路间一定会有一段导线连接，同时信号的回流还要经过探头的地线。示波器探头常用的地线通常1mm探头的长度会有大约1nH的电感，信号和地线越长，电感值越大。如下图所示，探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路，当电感值太大时，谐振频率很低，很容易在输入信号的激励下产生高频谐振，造成信号的失真。所以高频测试时需要严格控制信号和地线的长度，否则很容易产生振铃。在了解探头的结构之前，我们还需要先了解一下示波器输入接口的结构，因为这里是连接探头的地方，示波器的输入接口电路和探头共同组成了我们的探测系统。大部分的示波器输入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式（有些高带宽的示波器会采用一些特殊设计的接口，比如2.92mm或1.85mm的同轴接口）。如下图所示，很多通用的示波器在输入端有1M欧姆或50欧姆可切换的匹配电阻。示波器的探头种类很多，但是示波器的的匹配只有1M欧姆或50欧姆两种选择，不同种类的探头需要不同的匹配电阻形式。从电压测量的角度来说，为了对被测电路影响小，示波器可以采用1M欧姆的高输入阻抗，但是由于高阻抗电路的带宽对寄生电容的影响很敏感。所以1M欧姆的输入阻抗广泛应用与500M带宽以下的测量。对于更高频率的测量，通常采用50欧姆的传输线，所以示波器的50欧姆匹配主要用于高频测量。传统上来说，市面上100MHz带宽以下的示波器大部分只有1M欧姆输入，因为不会用于高频测量；100MHz～几GHz带宽的示波器大部分有1M欧姆和50欧姆的切换选择，同时兼顾高低频测量；几GHz或更高带宽的示波器由于主要用于高频测量，所以大部分只有50欧姆输入。广义的意义上说，测试电缆也属于一种探头，比如BNC或SMA电缆，而且这种探头既便宜性能又高（前提是电缆的质量不要太差），但是使用测试电缆连接时需要在被测电路上也有BNC或SMA的接口，所以应用场合有限，主要用于射频和微波信号测试。对于数字或通用信号的测试，很多时候还是需要专门的探