如何科學合理選擇探頭

　　一、探頭的主要指標
　　1.帶寬／上升時間
　　帶寬：用戶對儀器/探頭系統(tǒng)理想的-3dB衰減zui高頻率。大多數(shù)探頭，帶寬與上升時間的乘積接近0.35（0.35=BW.T 上升）。通常情況下，為了地定義這些參數(shù)，源阻抗規(guī)定終端接50W 的系統(tǒng)，帶寬由脈沖上升時間定義來保證zui小失真，對探頭輸入電容從10%至90%電平充電需要的時間Tr=2.2×R_源×C_探頭
　　2.負載效應(yīng)
　　探頭的負載效應(yīng)主要是由其輸入電阻和電容反映。在低頻（≤1MHz）時，探頭的負載主要是阻抗作用；在高頻時（≥10MHz），探頭的負載主要是容抗作用圖1表明探頭頻率與阻抗變化曲線

圖1 有源和無源探頭輸入阻抗

圖2 探頭補償

　　3. 衰減比
　　衰減比是輸出信號對輸入信號的比值，當正確接上終端時，探頭應(yīng)有恒定的衰減比，并在整個頻率帶范圍內(nèi)保持不變。
　　4.補償范圍
　　探頭的輸入電容決定了探頭的高頻特性和在額定衰減比下輸入電容的補償范圍，調(diào)節(jié)輸入電容使探頭具有平滑下降的頻率特性和規(guī)定的衰減比，由于不同的儀器輸入電容有一定的差異，因此探頭的輸入電容具有一定的調(diào)節(jié)范圍。詳見圖2探頭補償問題（C₁與R₂C₂/R₁的關(guān)系）
　　5.電壓
　　探頭測試zui大電壓（DC+峰值AC）是探頭的上限電壓范圍；同時對高頻探頭，電壓的額定值也會隨頻率的增加而降低。
　　6.探頭長度
　　保持探頭電纜長度盡可能短。因為過長的長度降低帶寬和增加探頭的負載電容；較長的探頭電纜也有較大的傳輸延遲（無源探頭一般為每米4ns）。
　　7.探頭測試附件
　　各種各樣的適配器可以將探頭用機械的方法連接到被測電路上，探頭測試一般導(dǎo)通很小的電流，在較低的電流電壓下有高電阻，如果采用全合金鍍層使電流傳導(dǎo)問題減至zui小。
　　8.電流
　　分二種指標：連續(xù)zui小電流、脈沖zui大電流。在脈沖zui大電流范圍內(nèi)，可以無失真測量由安培秒（A/S）乘積限定的zui大值。

　　二、探頭的種類
　　探頭一般按用途進行分類，種類繁多，大致如下

　　探頭一般zui常見結(jié)構(gòu)由以下部分組成：探針、橡膠（或其它材料）腔體、電路（衰減或其它）屏蔽線纜、BNC接頭等。
　　1.無源電壓探頭
　　無源電壓探頭是儀器常用的探頭，其使用上方便，穩(wěn)定，且價格也不昂貴。典型的10:1探頭電路如下：

圖3 無源探頭連接測試圖

　　無源電壓探頭在較大的動態(tài)范圍（±400V）能保證測試儀器的精度，在低頻率段（≤7MHz）高阻抗輸入，隨著頻率的增加，利用高輸入電容來降低阻抗電平。其結(jié)構(gòu)前端一般有可拆卸的通用探鉤和卡入探頭體內(nèi)短而軟的鯉魚夾接地線，方便脫手檢測和接地對高頻的干擾。無源電壓探頭有以下幾種形式：普通無源電壓探頭、無源高壓探頭、小幾何尺寸探頭、高性能組合探頭、低容性探頭等。
　　普通無源電壓探頭適合高、中、低頻信號通用測量。無源緩沖探頭技術(shù)上的革新產(chǎn)品，在寬的動態(tài)范圍內(nèi)適用通用測量；無源高壓探頭、一般具有較大的外形尺寸、堅固的結(jié)構(gòu)、較大的衰減倍數(shù)，適合普通高壓測試：PMT、馬達驅(qū)動、高壓開關(guān)、磁控管，現(xiàn)代發(fā)射系統(tǒng)及其它高壓測試；小幾何尺寸探頭是適應(yīng)現(xiàn)代小幾何尺寸IC表面封裝技術(shù)的需要，通過各種各樣的適配器，減少了對TTL、ECL、CMOS電容性加載；高性能組合探頭是為了節(jié)省探頭壽命期內(nèi)修理和維護費用而設(shè)計的，它的探針、電纜和連接件不需要焊接即可方便地裝配在一起；低容性探頭具有低容性加載，滿足微波高頻需要。 
　　2、有源電壓探頭
　　有源電壓探頭包括有源器件（場效應(yīng)晶體管或其它有源器件），而不包括無源器件，它比無源電壓探頭具有更高的性能；低輸入電容、高帶寬、高輸入電阻、直流偏置能力。見下圖4的比較

1.    

上面的波形圖顯示50Ω和1kΩ的阻抗測試點，探頭用1X無源探頭曲線T1（50Ω）曲線T2（1kΩ）;
10X有源FET探頭曲線T3（50Ω）曲線T4（1kΩ）;

上面波形顯示接地電感的影響，上面3根曲線顯示當無源探頭的接地線長度從0.5英寸（zui上面一根曲線）增加到6英寸，12英寸（zui下面一根曲線）時的波形變化。下面的3根曲線顯示了不管接地線的長度有何變化，而有源探頭波形保持相對的不變，這里用了和無源探頭相同的接地線長度。

　　應(yīng)用環(huán)境：
　　1.源阻抗 >100Ω或低功率線路，允許zui快上升時間的采集和幅度測量，信號損耗少；
　　2.小信號線路分析：單位增益（1X）獲得*靈敏度而不丟失帶寬，保持小信號幅度；
　　3.整體線路（含調(diào)諧電路）分析能力；高輸入阻抗、低輸入容抗提供很好的上升時間和傳輸延時測量，減小附加到線路的阻抗，降低對線路的干擾；
　　4.通用回路特性和故障診斷的信號完整性，適用阻抗未知或不容易計算情況；低輸入電容具有更高的環(huán)路頻率，較長的接地線，適用回路接地端較遠的情況；
　　5.高直流偏置能力：方便您測量直流成分的電壓。
　　3、差分探頭
　　差分探頭具有高的共模抑制比，安全地測量浮置于儀器地的電路。適用于包括高壓電路在內(nèi)的各種應(yīng)用：高壓電路、馬達速度控制、電源設(shè)計和大功率電力轉(zhuǎn)換器。
　　*：在高壓測試時，如果測試電路的地端相對于儀器的地線具有較高的懸浮電壓或者多通道測試時每個測試點的地端之間產(chǎn)生懸浮電壓，對使用者和測試儀器上有很大的危險，在這種情況下差分探頭*。比較成熟的差分懸浮測試系統(tǒng)一般由以下方案組成：①.電壓隔離方案：利用隔離器，配上相應(yīng)的無源探頭，安全進行浮地測量；②.差分高壓探頭方案；③.低振幅浮地電壓方案：利用差分放大器，配上相應(yīng)的探頭，產(chǎn)生高增益和*的共模抑制比，可測量到5μV的信號；④.綜合測試方案由差分探頭、放大器與電源組成一個自成體系的差分放大系統(tǒng)。
　　4、電流探頭
　　電流探頭即把被測電路的電流信號通過傳感器（不斷開電路）轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞斔偷綔y試儀器。一般有兩種類型：傳統(tǒng)的“互感器”AC探頭和“霍爾效應(yīng)式”的DC探頭。電流探頭不能“反向逆轉(zhuǎn)”所以它的負載能力比其它探頭更小。見下圖5
　　為了的測量電流，我們可以通過電流放大器、電源、機箱和相應(yīng)的電流探頭組成一個zui精密且靈活滿足各種需要的電流測量方案。

　　5、邏輯探頭
　　邏輯探頭是無源電壓探頭的一種，它適合于多通道同步測試需要，見圖6

圖6 邏輯探頭的幾種結(jié)構(gòu)

　　邏輯探頭一般具有16個通道，并且每個通道具有良好的接地，其復(fù)雜主要在連接頭和各種適配器上，連接頭一般有：“飛機”型、“蒼蠅”型也稱“歐翼”型“J”型兩種，適合小間距IC集成電路的測試。

　　三、合理選擇探頭
　　探頭雖然有很多種類，我們可從功能出發(fā)選擇所需要的探頭種類。探頭的種類確定后，選擇相應(yīng)性能的探頭，主要考慮探頭的加載影響和信號逼真度的傳遞。同時也應(yīng)注意物理參數(shù)（例如尺寸大小、電纜長度和與被測裝置互相聯(lián)接的適配器）對測量成功的重要性。
　　1、阻抗的匹配
　　選擇與儀器輸入電阻和輸入電容相匹配的探頭，例50Ω示波器輸入需要50Ω的探頭或有源探頭。這樣保證對被測電路的負載效應(yīng)zui小。
　　2、帶寬與上升時間的匹配
　　選擇與測試儀器和上升時間相匹配的探頭，例100M示波器需要100MHz以上的探頭。
　　3、時間延時的影響
　　在進行相位和時間一致性測量或差分測量應(yīng)用中，選擇型號相同和電纜長度相等的探頭，避免不同的探頭對信號延時時間的不同。
　　4、接地影響
　　選擇接地良好和短的接地線的探頭，探頭的頻率特性是在同軸系統(tǒng)內(nèi)定量所得。而在實際應(yīng)用中，探頭往往處于非同軸匹配的系統(tǒng)中，把串聯(lián)電感降至zui?。辉诟邏簻y試中，良好的接地尤為重要，否則會產(chǎn)生放電或打火現(xiàn)象，嚴重會損壞儀器。
　　5、探頭的負載影響
　　選擇盡可能低輸入電容和高輸入電阻的探頭，便于探頭*的信號保真。探頭的輸入阻抗變化與頻率成反比。例：50MHz帶寬，直流電壓輸入時阻抗約為1MΩ的探頭，在50MHz阻抗輸入時阻抗約為1.5MΩ。這樣雖然探頭的輸入阻抗選擇盡可能的高，但是它還是對被測線路有一定的影響；因此在測試中盡量選擇低阻抗測試點，以減小探頭負載影響。通常陰極、發(fā)射極和源極較好于陽極、集電極或漏極。總之了解探頭加載對被測電路的影響，可以避免錯誤探測，減少測量次數(shù)，從而得到更準確、重復(fù)性好的測量結(jié)果。
　　6、探頭的兼容性和其它功能
　　選擇兼容性能好和具有其它特殊功能的探頭，降低使用成本和靈活方便，例如：帶有衰減倍數(shù)讀出功能的探頭，在安裝有讀出功能的示波器上可自動標定刻度；裝有接地選擇功能的探頭，可快速尋找波形蹤跡。

　　四、更好的使用探頭
探頭看起來簡單，往往不受人產(chǎn)重視，實質(zhì)上如果操作不當，會嚴重影響使用結(jié)果，在使用中我們必須注意以下幾個方面：
　　1、探頭補償
　　探頭補償即在探頭末端和測試儀器輸入端之間頻率補償，當探頭*次連接到儀器上時，我們一般用低頻方波（通常為1KHz到10KHz）來補償以獲得同樣的時間常數(shù)。探頭末端與儀器的輸入端的關(guān)系如圖7所示，調(diào)節(jié)C2可得如下關(guān)系：
　　R₁C₁=R₂（C₂+C₃）=*信號傳送，在探頭補償中，不適當?shù)难a償將導(dǎo)致補償過足、欠壓等現(xiàn)象（見圖2），出現(xiàn)衰減或不正確的信號振幅，范圍可為幾十KHz
　　2、探頭接觸良好
　　任何導(dǎo)體與其它導(dǎo)體接觸時，都會產(chǎn)生接觸電阻和雜散干擾，測量時保證探頭各個部分以及導(dǎo)體與被測電路接觸穩(wěn)定、良好。
　　3、接地
　　一定要確認探頭接地的方法、當信號頻率超過10MHz，幅值就會隨接地的不同而變化，當檢查一個具有高速上升時間的電路，如ECL電路，就需要用影響zui短的接地線接地（例如接地彈簧）
　　4、探頭附件
　　選擇不同的附件與探頭相配套，滿足各種測試需要，例如小貼片電阻，電容的測試。

圖7 探頭補償電路