當(dāng)您購買中低檔示波器時(shí)，通常每個(gè)示波器通道會(huì)標(biāo)配一個(gè)高阻抗無源探頭。相比有源探頭而言，無源探頭更堅(jiān)固、更便宜。示波器輸入端接 1 M的阻抗時(shí)，它們能提供寬動(dòng)態(tài)范圍和超過 500 MHz 的帶寬。

對(duì)于是否需要標(biāo)準(zhǔn)無源探頭以外的其他探頭，您可能會(huì)碰到一個(gè)難題?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)的無源探頭是針對(duì)大范圍探測(cè)連接而設(shè)計(jì)的通用工具，如果要測(cè)量具有快速上升/下降時(shí)間的高速信號(hào)，建議采用具有足夠帶寬的有源探頭。同樣，差分或電流信號(hào)的測(cè)量也好采用有源差分或電流探頭。因此，可以考慮專用的或在小范圍內(nèi)有更好表現(xiàn)的有源探頭。

單端、差分或多模

示波器在測(cè)量信號(hào)時(shí)以一個(gè)公共參考點(diǎn)（即接地）作為基準(zhǔn)。使用示波器和標(biāo)準(zhǔn)單端探頭測(cè)得的信號(hào)，等于被測(cè)器件的特定點(diǎn)與接地之間的電勢(shì)差。

如果您需要測(cè)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(jìn)行差分測(cè)量。對(duì)此，您需要使用差分探頭。由于差分探頭內(nèi)的差分放大器會(huì)放大兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)之間的信號(hào)差，因此，它會(huì)抑制兩點(diǎn)上共有的電壓，并將兩個(gè)點(diǎn)之間的電勢(shì)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(hào)的單獨(dú)分量。為了測(cè)量差分信號(hào)的單端和共模分量，用戶迫切需要一款具有高速數(shù)據(jù)信號(hào)測(cè)量功能的示波器探頭。

帶寬

示波器和探頭的帶寬被定義為幅度降低 3dB 時(shí)的頻率響應(yīng)。大多數(shù)帶寬指標(biāo)為 1 GHz 或更低的示波器或探頭通常具有所謂的高斯響應(yīng)，在 -3dB 頻率約三分之一處開始呈現(xiàn)緩慢的滾降特性。帶寬指標(biāo)超過 1 GHz 的示波器通常具有平坦的頻率或磚墻響應(yīng)，并在 -3dB 點(diǎn)附近具有更為陡峭的滾降特性。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，探頭（或示波器）帶寬應(yīng)大于或等于您系統(tǒng)上快信號(hào)帶寬的 3 倍到 5 倍，以免造成信號(hào)頻率分量的衰減。因此，您必須首先確定哪些是具體信號(hào)的快上升或下降時(shí)間，并從中推算出信號(hào)帶寬。如果您參考的是特定的通信標(biāo)準(zhǔn)，那么您應(yīng)該能夠找到該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于快上升/下降時(shí)間做出的規(guī)定。確定快上升/下降時(shí)間之后，請(qǐng)使用以下公式，根據(jù)您所采用的閾值來確定信號(hào)的帶寬。

探頭負(fù)載

當(dāng)您將示波器探頭與電路相連接時(shí)，探頭成為被測(cè)電路的一部分，探頭的電氣特性會(huì)對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)和被測(cè)器件的操作帶來影響。探頭將電阻、電容和電感負(fù)載引入到被測(cè)器件。

在探頭負(fù)載的這三個(gè)來源中，電容性負(fù)載往往麻煩，它會(huì)影響到帶寬、上升或下降時(shí)間和延遲。電容性負(fù)載通常會(huì)改變被測(cè)波形的形狀。

這里有一個(gè)被測(cè)器件的圖表和與被測(cè)器件相連的探頭的簡(jiǎn)化電氣模型。在理想情況下，V輸入（探頭輸入端的電壓）應(yīng)當(dāng)與 V 源（被測(cè)器件在探測(cè)之前的電壓）相同。在現(xiàn)實(shí)中，由于探頭與被測(cè)器件相連，被測(cè)器件和探頭的阻抗決定了探頭輸入端的電壓。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器電路。

探頭噪聲

許多工程師都關(guān)注探頭/示波器的固有噪聲對(duì)測(cè)量的影響。有多種因素會(huì)對(duì)測(cè)量的噪聲系數(shù)產(chǎn)生影響。不過，您要考慮的一個(gè)重要的特性是信噪比。通常，探頭的衰減比越小，會(huì)導(dǎo)致信噪比越高、噪聲越低，但同時(shí)，它會(huì)帶來較低的輸入電阻、較低的動(dòng)態(tài)范圍和較低的共模范圍等。這之間有一些權(quán)衡。評(píng)測(cè)探頭噪聲量的一種簡(jiǎn)單方法是檢查衰減比和探頭數(shù)據(jù)表或手冊(cè)中規(guī)定的探頭的噪聲電平。

探針附件

測(cè)量系統(tǒng)的性能由其薄弱的環(huán)節(jié)決定。示波器或探頭的帶寬始終是關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，但是，測(cè)量系統(tǒng)不只有示波器和探頭。

事實(shí)上，示波器往往“不”是測(cè)量系統(tǒng)中薄弱的環(huán)節(jié)。測(cè)量系統(tǒng)還包括探頭、電纜、連接器和夾具。這些元素中的每一個(gè)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。

探頭響應(yīng)校正

對(duì)于高帶寬有源探頭而言，探頭響應(yīng)校正已變得日漸普遍。探頭常見的校正方法是直流調(diào)整，它又引起探頭的直流增益和偏置的調(diào)整。這種方法已用于大量的無源和有源探頭，以便對(duì)直流增益和偏置系數(shù)實(shí)施妥善補(bǔ)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(yīng)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(diào)整探頭的交流響應(yīng)特性，使之與理想探頭的特性一致，所具有的平坦頻率響應(yīng)達(dá)到其額定帶寬（-3dB 點(diǎn)）。在探頭、探頭前端附件和示波器的發(fā)展過程中，制造商準(zhǔn)確地測(cè)量多個(gè)器件的 S 參數(shù)，對(duì)其特性求平均值，并創(chuàng)建出代表常見探頭和示波器系統(tǒng)的校正過濾器。這種形式的校正使得標(biāo)稱校正的準(zhǔn)確度顯著提升，且不會(huì)給示波器用戶帶來其他任何不便。

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審核編輯黃宇