泰克探頭ABC工具儀表使用說(shuō)明書

探頭ABC

基礎(chǔ)篇

/accessories1

基礎(chǔ)篇

高精度測(cè)量從探針開(kāi)始安全摘要

在電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)或電路上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，人身安

泰克探頭選擇

全是最為重要的問(wèn)題。用戶一定要了解正在使用的測(cè)

有了在線、互動(dòng)的工具，你可以通過(guò)探頭的系列、探頭的

量設(shè)備的功能和極限值。另外，在進(jìn)行任何測(cè)量之

型號(hào)、或標(biāo)準(zhǔn)/應(yīng)用來(lái)搜索與您特定測(cè)試要求相匹配的探

前，還要全面熟悉被測(cè)量的系統(tǒng)或電路。應(yīng)審核被測(cè)

頭。隨著每次點(diǎn)擊，與示波器產(chǎn)品相配套的配置清單將不

系統(tǒng)的所有文檔和線路圖，特別注意電路中的電壓和

斷更新。現(xiàn)在就來(lái)試試：/probes

位置，留意任何和所有注意事項(xiàng)標(biāo)記。

泰克資源此外，一定要審核下述安全注意事項(xiàng)，避免人身傷害

我們不斷擴(kuò)大由技術(shù)簡(jiǎn)介、應(yīng)用指南和其它資源組成的及給連接的測(cè)量設(shè)備或系統(tǒng)帶來(lái)?yè)p失。如需下述任何

資料庫(kù)，可以幫助您最大限度地利用探頭和其它設(shè)備。注意事項(xiàng)的進(jìn)一步闡述，請(qǐng)參閱：安全注意事項(xiàng)。

請(qǐng)與當(dāng)?shù)靥┛舜硖幝?lián)系，或訪問(wèn)網(wǎng)址：

遵守所有終端評(píng)級(jí)

。

使用正確的接地程序

正確連接和斷開(kāi)探頭

避免暴露的電路

在處理探頭時(shí)避免射頻灼傷

不要在沒(méi)有保護(hù)蓋的情況下使用測(cè)量設(shè)備

不要在潮濕的環(huán)境中使用測(cè)量設(shè)備

不要在爆炸性的空氣中使用測(cè)量設(shè)備

不要在可能有問(wèn)題時(shí)使用測(cè)量設(shè)備

保持探頭表面清潔干燥

不要把探頭浸入液體中

2/accessories

基礎(chǔ)篇

被測(cè)

電路

示波器

探頭

測(cè)試點(diǎn)

圖1.1.探頭是在示波器和測(cè)試點(diǎn)之間進(jìn)行物理連接和電連接

的設(shè)備。

探頭－測(cè)量質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)從本質(zhì)上看，探頭是示波器測(cè)量鏈中的第一個(gè)環(huán)節(jié)。這

探頭對(duì)示波器測(cè)量至關(guān)重要。為了解其重要意義，從示一測(cè)量鏈的強(qiáng)度在很大程度上依賴探頭和示波器。如果

波器上不連接探頭，試著進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果是不能進(jìn)行測(cè)不適當(dāng)?shù)奶筋^或探測(cè)方法不對(duì)而導(dǎo)致第一個(gè)環(huán)節(jié)變得受

量。在被測(cè)信號(hào)和示波器的輸入通道之間必需有某類電影響，那么將影響整個(gè)探測(cè)鏈路。在本節(jié)及下面幾節(jié)

連接，也就是某類探頭。中，您將了解導(dǎo)致探頭優(yōu)劣勢(shì)的因素及怎樣為應(yīng)用選擇

適當(dāng)?shù)奶筋^。您還將了解正確使用探頭的部分重要技

探頭除對(duì)示波器測(cè)量至關(guān)重要外，探頭對(duì)測(cè)量質(zhì)量也非

巧。

常關(guān)鍵。把探頭連接到電路上可能會(huì)影響電路操作，示

波器只能顯示和測(cè)量探頭傳送到示波器輸入上的信號(hào)。什么是探頭?

首先讓我們看一下什么是示波器探頭。從本質(zhì)上看，探

因此，探頭對(duì)探測(cè)的電路影響必須達(dá)到最小，并對(duì)所期

頭在測(cè)試點(diǎn)或信號(hào)源和示波器之間建立了一條物理和電

望的測(cè)量保持足夠的信號(hào)保真度。

連接。根據(jù)測(cè)量需求，這一連接可能會(huì)非常簡(jiǎn)單，如使

如果探頭不能保持信號(hào)保真度，如果它以任何方式改變用一條長(zhǎng)一點(diǎn)的導(dǎo)線；也可能會(huì)非常復(fù)雜，如使用有源

信號(hào)或改變電路運(yùn)行的方式，示波器會(huì)看到實(shí)際信號(hào)的差分探頭。

失真結(jié)果，進(jìn)而可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果或誤導(dǎo)性的

完全可以這樣講，示波器探頭是把信號(hào)源連接到示波器

測(cè)量結(jié)果。

輸入上的某類設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)。如圖1.1所示，探頭在測(cè)量

圖中指定為沒(méi)有定義的設(shè)備。

4/accessories

探頭ABC

在物理上把探頭連接到測(cè)試點(diǎn)還在探針和示波器輸入之

探頭間建立了一個(gè)電連接。為獲得可用的測(cè)量結(jié)果，把探頭

補(bǔ)償設(shè)備

示波器連接到電路上必須最大限度地降低電路操作的方式，探

針上的信號(hào)必須通過(guò)探頭頭部和電纜，以足夠的保真度

被測(cè)傳送到示波器的輸入。

電路

這三個(gè)問(wèn)題(物理連接、對(duì)電路的影響最小和足夠的信號(hào)

保真度)涵蓋了正確選擇探頭時(shí)要考慮的最主要因素。由

于探頭影響和信號(hào)保真度是比較復(fù)雜的問(wèn)題，本文章用

探頭頭部探頭了很大篇幅解釋這些問(wèn)題。但是，千萬(wàn)不要忽略物理連

電纜

接問(wèn)題。如果很難把探頭連接到測(cè)試點(diǎn)上，探測(cè)方法通

常會(huì)降低保真度。

測(cè)試點(diǎn)

理想的探頭

圖1.2.大多數(shù)探頭由探頭頭部、探頭電纜和補(bǔ)償設(shè)備或其它在理想情況下，理想的探頭將提供下述主要特點(diǎn)：

信號(hào)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)組成。連接容易、方便

絕對(duì)信號(hào)保真度

零信號(hào)源負(fù)載

不管探頭實(shí)際上是什么，它必須在信號(hào)源和示波器輸入

能夠完全抗干擾

之間提供足夠方便優(yōu)質(zhì)的連接(圖1.2)。連接的充分程

度有三個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：物理連接、對(duì)電路的影響和信號(hào)連接容易和方便

傳輸。前面提到，建立到測(cè)試點(diǎn)的物理連接是探測(cè)的關(guān)鍵要求

為使用示波器測(cè)量，必須先能夠在物理上把探頭連接到之一。在理想的探頭中，還應(yīng)能夠容易、方便地進(jìn)行物

測(cè)試點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，大多數(shù)探頭至少一兩米長(zhǎng)的相理連接。

關(guān)電纜，如圖1.2所示。這一探頭電纜使示波器能夠保對(duì)微型電路，如高密度表面封裝技術(shù)(SMT)，通過(guò)微型

持在手推車或工作臺(tái)的固定位置上，同時(shí)探頭在被測(cè)電探頭頭部及為SMT設(shè)備設(shè)計(jì)的各種探針適配器，來(lái)提高

路的測(cè)試點(diǎn)之間移動(dòng)。但這在一定程度上影響了方便連接的容易性和方便性。

性。探頭電纜降低了探頭帶寬；電纜越長(zhǎng)，下降的幅度

越大。

除電纜長(zhǎng)度外，大多數(shù)探頭還有一個(gè)探頭頭部或帶探針

的把手。探頭頭部可以保持探頭，用戶則可以移動(dòng)探

針，與測(cè)試點(diǎn)接觸。通常這一探針采用彈簧支撐的掛鉤

形式，可以把探頭實(shí)際連接到測(cè)試點(diǎn)上。

/accessories5

基礎(chǔ)篇

這種探測(cè)系統(tǒng)如圖1.3a所示。但是，這些探頭在工業(yè)圖1.3a,1.3b,和1.3c為不同的應(yīng)用技術(shù)和測(cè)量需求提供了

電力電路等應(yīng)用中實(shí)際使用時(shí)太小了，在這些工業(yè)電力各種探頭

電路應(yīng)用中，通常使用高壓線和大號(hào)線。在電力應(yīng)用

中，要求使用具有更高安全余量、在物理上更大的探

頭。圖1.3b和1.3c說(shuō)明了這種探頭實(shí)例，其中圖1.3b

是高壓探頭，圖1.3c是夾子式電流探頭。

從這些物理實(shí)例中，可以明顯看出，并沒(méi)有一種理想的

探頭規(guī)格或配置可以適用于所有應(yīng)用。正因如此，業(yè)內(nèi)

已經(jīng)設(shè)計(jì)出各種探頭規(guī)格和配置，以滿足各種應(yīng)用的物

理連接要求。

絕對(duì)信號(hào)保真度

理想的探頭應(yīng)以絕對(duì)的信號(hào)保真度，把任何信號(hào)從探針

傳送到示波器輸入上。換句話說(shuō)，探針上發(fā)生的信號(hào)應(yīng)圖1.3a.探測(cè)SMT設(shè)備。

真實(shí)地復(fù)現(xiàn)在示波器輸入端。

為實(shí)現(xiàn)絕對(duì)保真度。從探針到示波器輸入的探頭電路必

須擁有零衰減、無(wú)窮大的帶寬及在所有頻率中實(shí)現(xiàn)線性

相位。這些理想要求在實(shí)踐中不僅是不可能實(shí)現(xiàn)的，也

是不可行的。例如，在處理音頻頻率信號(hào)時(shí)，沒(méi)有人會(huì)

需要帶寬無(wú)窮大的探頭或示波器。在500MHz就能涵

蓋大多數(shù)高速數(shù)字、電視和其它典型示波器應(yīng)用時(shí)，也

不需要無(wú)窮大的帶寬。

但是，在給定工作帶寬范圍內(nèi)，絕對(duì)信號(hào)保真度仍是廣

大用戶一直尋求的夢(mèng)想。

零信號(hào)源負(fù)載圖1.3b.高壓探頭。

測(cè)試點(diǎn)后面的電路可以視作一種信號(hào)源模型。連接到測(cè)

試點(diǎn)的任何外部設(shè)備，如探頭，都會(huì)在測(cè)試點(diǎn)后面信號(hào)

源上表現(xiàn)為額外的負(fù)載。

在從電路(信號(hào)源)吸收信號(hào)電流時(shí)，外部設(shè)備作為負(fù)載

操作。這一負(fù)載或吸收的信號(hào)電流會(huì)改變測(cè)試點(diǎn)后面的

電路，進(jìn)而改變測(cè)試點(diǎn)上看到的信號(hào)。理想的探頭導(dǎo)致

的信號(hào)源負(fù)載為零。

圖1.3c.夾子式電流探頭。

6/accessories

探頭ABC

換句話說(shuō)，它不會(huì)從信號(hào)源吸收任何信號(hào)電流。這意味探頭

著，為了使吸收的電流為零，探頭必須具有無(wú)窮大的阻

示波器

抗，從而在本質(zhì)上對(duì)測(cè)試點(diǎn)表示為開(kāi)路。

接地線

在實(shí)際中，零信號(hào)源負(fù)載的探頭是不能實(shí)現(xiàn)的。這是因

a.DC(0Hz)信號(hào)的分布式電阻

為探頭必須吸收少量的信號(hào)電流，以在示波器輸入上形

成信號(hào)電壓。結(jié)果，在使用探頭時(shí)預(yù)計(jì)將產(chǎn)生一定的信探頭

號(hào)源負(fù)載。但是，我們的目標(biāo)應(yīng)一直是通過(guò)正確選擇探

頭，最大限度地降低負(fù)載影響。示波器

完全噪聲抑制能力接地線

熒光燈和風(fēng)扇馬達(dá)是周圍環(huán)境中存在的眾多電子噪聲源b.AC信號(hào)的分布式電阻、電感和電容

的兩種來(lái)源。這些噪聲源會(huì)在附近的電氣電纜和電路上

圖1.4a和圖1.4b探頭是由分布式電阻、電感和電容(R,L和

引起噪聲，進(jìn)而導(dǎo)致在信號(hào)中增加噪聲。由于容易受到

C)單元組成的電路

感應(yīng)的噪聲影響，一段簡(jiǎn)單的導(dǎo)線是示波器探頭的次優(yōu)

選擇。

理想的示波器探頭要能夠全面抗擊所有噪聲源。結(jié)果，

頻率)，探頭表現(xiàn)為一對(duì)簡(jiǎn)單的導(dǎo)線，其帶有一定的串聯(lián)

與測(cè)試點(diǎn)上的信號(hào)出現(xiàn)的噪聲相比，傳送到示波器上的

電阻和端接電阻(圖1-4a)。但是，對(duì)AC信號(hào)，隨著信

信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲干擾。

號(hào)頻率提高，圖形會(huì)發(fā)生明顯變化(圖1-4b)。

在實(shí)踐中，使用屏蔽可以使探頭對(duì)大多數(shù)常用信號(hào)電平

之所以對(duì)AC信號(hào)圖形會(huì)發(fā)生變化，是因?yàn)槿魏我欢螌?dǎo)

實(shí)現(xiàn)高級(jí)抗噪聲能力。但是，對(duì)某些低電平信號(hào)，噪聲

線都有分布式電感(L)，任何線對(duì)都有分布式電容(C)。

仍可能是一個(gè)問(wèn)題。在實(shí)踐中，共模噪聲會(huì)給差分測(cè)量

在信號(hào)頻率提高時(shí)，分布式電感通過(guò)提高阻止AC電流。

帶來(lái)問(wèn)題，我們?cè)诤竺鎸?duì)此進(jìn)行討論。

在信號(hào)頻率提高時(shí)，分布式電容通過(guò)降低到AC電流的

探頭的實(shí)際特點(diǎn)阻抗。這些電抗單元(L和C)和電阻單元(R)的交互，產(chǎn)

上面討論的理想的探頭提到了多種實(shí)際情況，使得實(shí)際生了會(huì)隨著信號(hào)頻率變化的總探頭阻抗。通過(guò)采用良好

探頭并不能達(dá)到理想水平。為理解這些情況怎樣影響示的探頭設(shè)計(jì)，可以控制探頭的電阻、電感和電容單元，在

波器測(cè)量，我們必需進(jìn)一步考察探頭的實(shí)際特點(diǎn)。指定頻率范圍上提供希望的信號(hào)保真度、衰減和信號(hào)源

首先，必需認(rèn)識(shí)到，即使探頭只是一段簡(jiǎn)單的導(dǎo)線，但負(fù)載。但即使設(shè)計(jì)良好，探頭仍受到電路特點(diǎn)的限制。在

探頭仍可能是一個(gè)非常復(fù)雜的電路。對(duì)DC信號(hào)(0Hz選擇和使用探頭時(shí)，必需了解這些限制及其影響。

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基礎(chǔ)篇

下降-3dB

工作帶寬

測(cè)量誤差(%)

帶外操作

圖1-5.探頭和示波器是為在工作帶寬上進(jìn)行測(cè)量根據(jù)規(guī)范設(shè)

計(jì)的。在超過(guò)3dB點(diǎn)的頻率上，信號(hào)幅度會(huì)變得極度衰減，

測(cè)量結(jié)果可能會(huì)變得不能預(yù)測(cè)。

上升時(shí)間的比率

帶寬和上升時(shí)間限制圖1.6.可以從上圖中估算出上升時(shí)間測(cè)量誤差。上升時(shí)間比

帶寬是示波器或探頭設(shè)計(jì)使用的頻率范圍。例如：100被測(cè)脈沖快三倍(3:1比率)的示波器/探頭組合預(yù)計(jì)可以測(cè)量

MHz探頭或示波器是為在高達(dá)100MHz的所有頻率上5%范圍內(nèi)的脈沖上升時(shí)間。5:1的比率將僅有2%的誤差。

進(jìn)行測(cè)量而設(shè)計(jì)的。在超過(guò)指定帶寬時(shí)，可能會(huì)發(fā)生不

希望或不能預(yù)測(cè)的測(cè)量結(jié)果(圖1-5)。在沒(méi)有指定上升時(shí)間的情況下，可以使用下述關(guān)系，從

一般來(lái)說(shuō)，為準(zhǔn)確地進(jìn)行幅度測(cè)量，示波器的帶寬應(yīng)比帶寬(BW)指標(biāo)中推導(dǎo)得出上升時(shí)間(Tr):

被測(cè)的波形頻率高五倍。這種“五倍規(guī)則”保證了為非Tr=0.35/BW

正弦曲線波形中的高頻成分提供足夠的帶寬，如方形

每個(gè)示波器都有規(guī)定的帶寬和上升時(shí)間極限。類似的，

波。

每個(gè)探頭還有自己的帶寬和上升時(shí)間極限。此外，在探

與此類似，示波器必須為測(cè)量的波形提供充足的上升時(shí)頭連接到示波器時(shí)，會(huì)得到一套新的系統(tǒng)帶寬和上升時(shí)

間。示波器或探頭的上升時(shí)間定義為在使用理想的瞬時(shí)間極限。

上升脈沖時(shí)測(cè)得的上升時(shí)間。為在測(cè)量脈沖上升時(shí)間或

遺憾的是，系統(tǒng)帶寬與各個(gè)示波器和探頭的帶寬之間的

下降時(shí)間時(shí)實(shí)現(xiàn)合理的精度，探頭和示波器的總上升時(shí)

關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的關(guān)系，上升時(shí)間也是如此。為處理這

間應(yīng)該比被測(cè)脈沖快3-5倍(圖1.6)。

個(gè)問(wèn)題，在示波器與指定型號(hào)的探頭一起使用時(shí)，優(yōu)質(zhì)

示波器的制造商會(huì)指定帶寬或上升時(shí)間。這一點(diǎn)非常重

要，因?yàn)槭静ㄆ骱吞筋^一起使用時(shí)會(huì)構(gòu)成一個(gè)測(cè)量系

統(tǒng)，而系統(tǒng)的帶寬和上升時(shí)間則決定著測(cè)量功能。如果

使用的探頭沒(méi)有列入示波器推薦探頭配置，那么您可能

會(huì)獲得預(yù)測(cè)不到的測(cè)量結(jié)果。

8/accessories

探頭ABC

動(dòng)態(tài)范圍限制

所有探頭都有不應(yīng)超過(guò)的最大電壓安全極限。對(duì)無(wú)源探

頭，這一極限值可以從幾百伏到幾千伏。而對(duì)有源探

頭，最大安全電壓極限則通常在幾十伏范圍內(nèi)。為避免

危及人身安全以及可能損壞探頭，最好了解被測(cè)的電壓

及使用的探頭的電壓極限值。

除安全考慮因素外，還要在實(shí)踐中考慮測(cè)量的動(dòng)態(tài)范a.100k?負(fù)載的DC電路

圍。示波器具有幅度靈敏度范圍。例如，典型的靈敏度

范圍是1mV-10V/格。在八格顯示器上，這意味著用

戶一般可以在4mV峰到峰值到40V峰到峰值的信號(hào)上

合理地進(jìn)行測(cè)量。

至少采用4格幅度的信號(hào)顯示，以獲得合理的測(cè)量分辨

率。在1X探頭(1倍探頭)中，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍與示波器

相同。對(duì)上面的實(shí)例，信號(hào)測(cè)量范圍是4mV-40V。b.增加并聯(lián)探頭負(fù)載的

但是，如果必需測(cè)量40V范圍以上的信號(hào)時(shí)，會(huì)怎么樣同一條DC電路

呢？圖1.7a和圖1.7b.電阻負(fù)載實(shí)例。

通過(guò)使用衰減探頭，可以把示波器的動(dòng)態(tài)范圍移到更高

的電壓。例如，10X探頭把動(dòng)態(tài)范圍移到40mV-信號(hào)源負(fù)載效應(yīng)最簡(jiǎn)單的實(shí)例是：電池動(dòng)力的電阻網(wǎng)絡(luò)

400V。它通過(guò)把輸入信號(hào)衰減10倍，把示波器的刻度的測(cè)量，如圖1.7所示。在圖1.7a中，在連接探頭前，

有效地乘以10，來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在最通用的用途中，首電池的DC電壓在電池的內(nèi)部電阻(Ri)和電池驅(qū)動(dòng)的負(fù)載

選使用10X探頭，這是因?yàn)楦叨穗妷悍秶捌湄?fù)載較電阻(Ri)之間進(jìn)行劃分。在圖中給出了值，這得到的輸出

少。但是，如果您打算測(cè)量非常寬的電壓電平，您可能電壓為：

想考慮切換式1X/10X探頭，這種探頭實(shí)現(xiàn)了4mV-

Eo=Eb*RI/(Ri+RI)

400V的動(dòng)態(tài)范圍。但是，在1X模式中，必須更多地

=100V*100,000/(100+100,000)

注意探頭負(fù)載效應(yīng)。

=10,000,000V/100,100

信號(hào)源負(fù)載=99.9V

如前所述，探頭必須吸收部分信號(hào)電流，以在示波器輸

在圖1.7b中，探頭已經(jīng)連接到電路上，導(dǎo)致了與RI并

入上形成信號(hào)電壓。這在測(cè)試點(diǎn)上帶來(lái)了負(fù)載，可能會(huì)

聯(lián)的探頭電阻(Rp)。如果Rp是100k?，那么圖1.7b中

改變電路或信號(hào)源傳送到測(cè)試點(diǎn)上的信號(hào)。

的有效負(fù)荷電阻被減少一半，為50k?。

在這個(gè)在Eo上的負(fù)載效應(yīng)是：

Eo=100V*50,000/(100+50,000)

=5,000,000V/50,100

=99.8V

/accessories9

基礎(chǔ)篇

圖1.8.對(duì)AC信號(hào)源，探針電容(Cp)是用戶最擔(dān)心的負(fù)載。

隨著信號(hào)頻率提高，電容電抗(Xc)會(huì)下降，導(dǎo)致更多的信號(hào)

流經(jīng)電容器。

接地線電感

圖1.9.探頭地線在電路中增加了電感。地線越長(zhǎng)，電感越大，

99.9的負(fù)荷效應(yīng)與99.8相比只差0.1%，對(duì)大多數(shù)用途在快速脈沖上看到減幅振蕩。

可以忽略不計(jì)。但是，如果Rp比較小，如10k?，那

么這一效應(yīng)就不能再忽略不計(jì)了。

由于地線是一條導(dǎo)線，因此它有一定數(shù)量的分布式電感

為使這類電阻負(fù)荷達(dá)到最小，1X探頭一般有1M?的電

(參見(jiàn)圖1.9)。這一電感與探頭電容相互影響，在L和

阻，10X探頭一般有10M?的電阻。在大多數(shù)情況下，

C值確定的某個(gè)頻率上導(dǎo)致減幅振蕩。這個(gè)減幅振蕩是

這些值幾乎不會(huì)導(dǎo)致電阻負(fù)荷。

不可避免的，可以視作蓋在脈沖上衰落的幅度的正弦曲

但是，在測(cè)量高電阻信號(hào)源時(shí)，應(yīng)可以預(yù)計(jì)到某些負(fù)線。通過(guò)設(shè)計(jì)探頭接地，使減幅振幅頻率發(fā)生在探頭/

載。通常情況下，用戶最擔(dān)心的負(fù)載是探針上的電容導(dǎo)示波器系統(tǒng)帶寬極限之外，可以降低減幅振蕩的影響。

致的負(fù)載(參見(jiàn)圖1.8)。對(duì)低頻，這一電容具有非常高

為避免接地問(wèn)題，應(yīng)一直使用隨探頭提供的最短的地

的電抗，影響很小或沒(méi)有影響。但隨著頻率提高，電容

線，代以其它方式的接地可能會(huì)導(dǎo)致被測(cè)脈沖上出現(xiàn)減

電抗會(huì)下降。其結(jié)果，負(fù)載會(huì)在高頻上提高。

幅振蕩。

這種電容負(fù)荷影響著測(cè)量系統(tǒng)的帶寬和上升時(shí)間特點(diǎn)，

因?yàn)樗档土藥?，使得上升時(shí)間變大。探頭是傳感器

在處理示波器探頭的實(shí)際特點(diǎn)時(shí)，重要的一點(diǎn)是記住探

通過(guò)選擇探頭前端電容值低的探頭，可以使電容負(fù)載達(dá)

頭是傳感器。大多數(shù)示波器探頭是電壓傳感器。也就是

到最小。下表提供了各種探頭的部分典型電容值：

說(shuō)，它們傳感或探測(cè)電壓信號(hào)，把電壓信號(hào)傳送到示波

器輸入端。

探頭衰減電阻R電容C

P6101B1X1M?100pF

P6106A10X10M?11pF

P6139A10X10M?8pF

P624310X1M?1pF

10/accessories

探頭ABC

一些探測(cè)技巧

選擇滿足示波器和應(yīng)用需求的探頭，可以使您能夠進(jìn)行

必要的測(cè)量。實(shí)際上，進(jìn)行測(cè)量和獲得有用的結(jié)果還取

決于怎樣使用工具。下面的探針將有助于您避免某些常

見(jiàn)的測(cè)量問(wèn)題：

補(bǔ)償探頭

大多數(shù)探頭是為與特定型號(hào)的示波器輸入而設(shè)計(jì)的。但

是，在示波器之間、甚至在同一臺(tái)示波器不同的輸入通

道之間會(huì)略有差異。為在必要時(shí)處理這一差異，許多探

頭、特別是衰減探頭(10X和100X探頭)都帶有內(nèi)置補(bǔ)

償網(wǎng)絡(luò)。

圖1.10.在探頭頭部或在補(bǔ)償設(shè)備上進(jìn)行探頭補(bǔ)償調(diào)節(jié)，其中如果探頭帶有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該調(diào)節(jié)這一網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)要使

補(bǔ)償設(shè)備連接到示波器輸入端上。用的示波器通道補(bǔ)償探頭。為此，應(yīng)采用下述程序：

1.把探頭連接到示波器上。

但是，還有其它探頭，允許您傳感除電壓信號(hào)之外的其

2.把探針連接到示波器前面板上的探頭補(bǔ)償測(cè)試點(diǎn)(參見(jiàn)

它現(xiàn)象。例如，電流探頭是為傳感流經(jīng)導(dǎo)線的電流而設(shè)

圖1.10)。

計(jì)的。探頭把傳感的電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，然后

3.使用隨探頭或其它非磁性調(diào)節(jié)工具提供的調(diào)節(jié)工具，

傳送到示波器的輸入端上。

調(diào)節(jié)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，獲得頂部平坦、沒(méi)有過(guò)沖或圓形的校

類似的，光探頭傳送光功率，把它轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然準(zhǔn)波形顯示(參見(jiàn)圖1.11)。

后由示波器進(jìn)行測(cè)量。此外，示波器電壓探頭可以與各

4.如果示波器帶有內(nèi)置校準(zhǔn)程序，運(yùn)行這一程序，以提

種其它傳感器或轉(zhuǎn)換器一起使用，測(cè)量不同類型的信

高精度。

號(hào)。例如，振動(dòng)傳感器允許您在示波器屏幕上查看機(jī)械

振動(dòng)信號(hào)。具體情況根據(jù)市場(chǎng)上提供的傳感器種類而沒(méi)有補(bǔ)償?shù)奶筋^可能會(huì)導(dǎo)致各種測(cè)量誤差，特別是在測(cè)

定。量脈沖上升時(shí)間或下降時(shí)間時(shí)。為避免這些誤差，應(yīng)在

把探頭連接到示波器后立即補(bǔ)償探頭，另外要經(jīng)常檢查

但是在任何情況下，轉(zhuǎn)換器、探頭和示波器組合必須視

補(bǔ)償結(jié)果。

作一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。此外，上面討論的探頭實(shí)際特點(diǎn)還可

以延伸到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器也具有帶寬限制，可能會(huì)導(dǎo)致

負(fù)載效應(yīng)。

/accessories11

基礎(chǔ)篇

圖1.11a.過(guò)補(bǔ)償圖1.11b.欠補(bǔ)償圖1.11c.正確地補(bǔ)償

圖1.11a，圖1.11b和圖1.11c.探頭補(bǔ)償對(duì)方波的影響實(shí)例。

圖1.12a.直接探測(cè)連接圖1.12b.2英寸長(zhǎng)的探測(cè)連接

圖1.12a和圖1.12b.即使焊接到測(cè)試點(diǎn)上的一小段線也可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)保真度問(wèn)

題。在這種情況下，上升時(shí)間從4.74ns(圖1.12a)變成了5.67ns(圖1.12b)。

圖1.13a.6.5英寸長(zhǎng)的探頭接地線圖1.13b.28英寸長(zhǎng)的探頭接地線

圖1.13a和圖1.13b.延長(zhǎng)探頭地線長(zhǎng)度可能會(huì)導(dǎo)致脈沖上出現(xiàn)振鈴。

12/accessories

探頭ABC

此外，最好在改變探針適配器時(shí)應(yīng)檢查探頭補(bǔ)償情況。線，然后在查看各個(gè)測(cè)試點(diǎn)時(shí)在系統(tǒng)上移動(dòng)探頭。但是，

延長(zhǎng)的地線增加的電感可能會(huì)導(dǎo)致快速轉(zhuǎn)換波形上出現(xiàn)

在可能的地方使用相應(yīng)的探頭前端適配器

減幅振蕩(振鈴)，如圖1.13所示，它顯示了在使用標(biāo)準(zhǔn)

與被測(cè)電路相適應(yīng)的探針適配器會(huì)使得探頭連接變得非

探頭地線和延長(zhǎng)地線時(shí)進(jìn)行的波形測(cè)量結(jié)果。

?？旖?、方便、在電重復(fù)性好以及非常穩(wěn)定。遺憾的是，

把長(zhǎng)度很短的導(dǎo)線焊接到電路點(diǎn)上，來(lái)代替探針適配器小結(jié)

的情況并不少見(jiàn)。在第一章中，我們提供選擇適當(dāng)?shù)奶筋^及正確使用探頭

問(wèn)題在于，即使一兩英寸的導(dǎo)線在高頻上也會(huì)導(dǎo)致明顯的所有基本信息。在下面幾章中，我們將展開(kāi)討論這些

的阻抗變化。這種變化的影響如圖1.12所示，在圖1.信息，并介紹與探頭和探測(cè)技術(shù)有關(guān)的更高級(jí)的信息。

12中，其中使用探針的直接觸點(diǎn)測(cè)量電路，然后通過(guò)

電路和探針之間的一段短線進(jìn)行測(cè)量。

使地線盡可能短、盡可能直接接觸

在進(jìn)行性能檢查或診斷大型電路板或系統(tǒng)時(shí)，工程師可

能會(huì)傾向于延長(zhǎng)探頭的地線。延長(zhǎng)地線可以一次連接地

/accessories13

基礎(chǔ)篇

為滿足不同需求提供不同的探頭

市場(chǎng)上提供了數(shù)百種、甚至數(shù)千種不同的示波器探頭。

僅泰克測(cè)量產(chǎn)品目錄就列出了70多種不同型號(hào)的探頭。

選擇范圍如此廣泛的探頭是否真有必要呢？答案

是肯定的，在本章中，您將發(fā)現(xiàn)其原因是什么。

在理解了這些原因之后，您將更好地作好準(zhǔn)備，選擇能

夠與正在使用的示波器和需要進(jìn)行的測(cè)量類型相匹配的

探頭。其好處是，選擇適當(dāng)?shù)奶筋^將能夠增強(qiáng)測(cè)量功能

和結(jié)果。

為什么有這么多的探頭?

可供選擇的示波器型號(hào)和功能非常廣泛，是市場(chǎng)上出現(xiàn)圖2.1.必需提供各種連接器類型的探頭，以與不同的示波器

大量探頭的基本原因之一。不同的示波器要求不同的探輸入通道連接器相匹配。

頭。400MHz示波器要求支持400MHz帶寬的探頭。

因此，探頭選擇中還必須包括使連接器能夠兼容所使用

但是，許多功能和成本相同的探頭會(huì)爭(zhēng)奪100MHz示波的示波器。這可以是直接兼容連接器，也可以是通過(guò)相

器，因此，必須設(shè)計(jì)一套不同的探頭，來(lái)支持100MHz應(yīng)適配器進(jìn)行的連接。

的帶寬。

讀數(shù)支持在探頭/示波器連接器兼容能力尤為重要。在

一般來(lái)說(shuō)，在可能時(shí)，應(yīng)選擇與示波器的帶寬相匹配的示波器上互換1X和10X探頭時(shí)，示波器的垂直標(biāo)度讀

探頭。如果不能做到這一點(diǎn)，那么最好選擇超過(guò)示波器數(shù)應(yīng)體現(xiàn)1X到10X的變化。例如，如果示波器連接1X

帶寬的探頭。探頭時(shí)的垂直標(biāo)度讀數(shù)是1V/格(每格1伏)，然后換成

但是，帶寬只是一個(gè)開(kāi)端。示波器還可能有不同的輸入10X探頭，那么垂直讀數(shù)應(yīng)以10倍的系數(shù)變成10V/格。

連接器類型和不同的輸入阻抗。例如，大多數(shù)示波器使如果示波器讀數(shù)中沒(méi)有體現(xiàn)這種從1X到10X變化，那

用一個(gè)簡(jiǎn)單的BNC類型的輸入連接器。其它示波器可么使用10X探頭進(jìn)行的幅度測(cè)量將比本來(lái)數(shù)字低10

能會(huì)使用SMA連接器，如圖2.1所示，還有的示波器倍。

帶有專門設(shè)計(jì)的連接器，支持讀數(shù)、軌跡ID、探頭功某些通用或商用探頭可能不支持所有示波器的讀數(shù)功

率或其它專用功能。能。結(jié)果，在使用通用探頭代替示波器制造商專門推薦

的探頭時(shí)必需特別注意。

除帶寬和連接器差異外，各種示波器還有不同的輸入電

阻和電容值。一般來(lái)說(shuō)，示波器輸入電阻是50歐姆或

14/accessories

探頭ABC

1兆歐。但是，根據(jù)示波器的帶寬指標(biāo)和其它設(shè)計(jì)因素，

輸入電容可能會(huì)有很大變化。為實(shí)現(xiàn)正確傳送信號(hào)和保

真度，重要的一點(diǎn)是探頭的電阻和電容與其使用的示波

器的電阻和電容相匹配。例如，50歐姆探頭應(yīng)與50歐單端信號(hào)

姆示波器輸入一起使用。類似的，1兆歐探頭應(yīng)在1兆

歐輸入電阻的示波器上使用。

在使用衰減器探頭時(shí)，這種一對(duì)一電阻匹配會(huì)出現(xiàn)例

外。例如，用于50歐姆環(huán)境的10X探頭將有500歐姆

的輸入電阻，用于1兆歐環(huán)境的10X探頭將有10兆歐

的輸入電阻。(衰減器探頭如10X探頭也稱為分路器探頭

差分信號(hào)

和復(fù)用器探頭。這些探頭乘以示波器的測(cè)量范圍，其通

過(guò)衰減或除以示波器提供的輸入信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn))。

除電阻匹配外，探頭電容還應(yīng)與示波器的額定輸入電容

相匹配。通常情況下，這一電容匹配可以通過(guò)調(diào)節(jié)探頭

的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，只有在示波器的額定輸入電圖2.2.單端信號(hào)參考接地(a)，而差分信號(hào)則是兩條信號(hào)線或

容落在探頭的補(bǔ)償范圍內(nèi)時(shí)，才有可能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。因兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)之差(b)。

此，探頭具有不同的補(bǔ)償范圍，以滿足不同示波器輸入

要求的情況并不少見(jiàn)。此外，許多情況下信號(hào)電壓是差分電壓。也就是說(shuō)，信

示波器制造商已經(jīng)大大簡(jiǎn)化了探頭與示波器的匹配問(wèn)號(hào)存在于兩個(gè)點(diǎn)或兩條線中，這兩個(gè)點(diǎn)或兩個(gè)信號(hào)都沒(méi)

題。示波器制造商作為完整系統(tǒng)審慎地設(shè)計(jì)探頭和示波有處于接地或公共電位(參見(jiàn)圖2.2)。這種差分信號(hào)在電

器。結(jié)果，一直可以通過(guò)使用示波器制造商指定的標(biāo)準(zhǔn)話語(yǔ)音電路、計(jì)算機(jī)磁盤讀通道和多相電源電路十分常

探頭，來(lái)實(shí)現(xiàn)探頭與示波器的最佳匹配。使用制造商指見(jiàn)。測(cè)量這些信號(hào)也要求另一種探頭，稱為差分探頭。

定探頭之外的任何其它探頭，都可能會(huì)使測(cè)量性能無(wú)法還有許多情況，特別是在電源應(yīng)用中，電流或多或少地

達(dá)到最佳水平。與電壓相關(guān)。傳感電流、而不是電壓的另一類探頭可以

僅探頭與示波器匹配要求一項(xiàng)，就導(dǎo)致市場(chǎng)上出現(xiàn)大量最好地滿足這些應(yīng)用需求。

的基本探頭。然后，必需使用不同的探頭滿足不同的測(cè)電流探頭和差分電壓探頭只是提供的眾多不同探頭中的

量需求，又明顯提高了探頭數(shù)量。其最基本的差異在于兩種特定探頭。本章其余部分介紹了部分比較常見(jiàn)的探

被測(cè)的電壓范圍。毫伏、伏特和千伏測(cè)量一般要求具有頭類型及其優(yōu)勢(shì)。

不同衰減系數(shù)(1X,10X,100X)的探頭。

/accessories15

基礎(chǔ)篇

不同探頭類型及其優(yōu)勢(shì)大多數(shù)無(wú)源探頭是為用于通用示波器而設(shè)計(jì)的，因此其

帶寬范圍一般在小于100MHz到500MHz范圍或更高

在討論各種常見(jiàn)探頭類型前，必需知道類型經(jīng)常會(huì)有重

的帶寬之間。

疊。當(dāng)然，電壓探頭僅傳感電壓，但電壓探頭可以是無(wú)

源探頭，也可以是有源探頭。類似的，差分探頭是特定但是，有一種特定類型的無(wú)源探頭提供了高得多的帶

類型的電壓探頭，差分探頭也可以是有源探頭或無(wú)源探寬，其稱為50歐姆探頭、Zo探頭和分壓器探頭。這些

頭。在相應(yīng)的地方，我們將指出這些重疊關(guān)系。探頭是為用于50歐姆環(huán)境中而設(shè)計(jì)的，這些環(huán)境一般

是高速設(shè)備檢定、微波通信和時(shí)域反射計(jì)(TDR)。這些

無(wú)源電壓探頭

應(yīng)用使用的典型50歐姆探頭擁有幾千赫茲的帶寬和

無(wú)源探頭由導(dǎo)線和連接器制成，在需要補(bǔ)償或衰減時(shí)，

100皮秒或更快的上升時(shí)間。

還包括電阻和電容。探頭中沒(méi)有有源器件(晶體管或放

大器)，因此不需為探頭供電。有源電壓探頭

有源探頭包含或依賴有源器件，如晶體管。最常見(jiàn)的情

由于相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)源探頭一般是最堅(jiān)固、最經(jīng)濟(jì)的探

況下，有源設(shè)備是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。

頭。它們使用簡(jiǎn)便，也是使用最廣泛的探頭。但是，不

要被使用簡(jiǎn)單或結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單所愚弄，優(yōu)質(zhì)無(wú)源探頭很少有FET輸入的優(yōu)勢(shì)是，它提供了非常低的輸入電容，一般

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的！為幾皮法，最低不到1皮法。

無(wú)源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)(1X,這種超低電容可以實(shí)現(xiàn)用戶希望的多種效應(yīng)。首先，低

10X和100X)。在這些無(wú)源探頭中，10X無(wú)源電壓探頭電容值C相當(dāng)于高電容電抗值Xc。

是最常用的探頭，也是通常作為示波器標(biāo)準(zhǔn)配件提供的1

Xc=

探頭類型。2πfC

對(duì)信號(hào)幅度是1V峰峰值或更低的應(yīng)用，1X探頭可能要由于電容電抗是探頭的主要輸入阻抗要素，因此低電容

比較合適，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信會(huì)在更寬的頻段上導(dǎo)致高輸入阻抗。結(jié)果，有源FET探

號(hào)混合(幾十毫伏到幾十伏)的應(yīng)用中，可切換1X/10X頭的規(guī)定帶寬一般在500MHz-4GHz之間。

探頭要方便得多。但要記住，可切換1X/10X探頭在本除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻

質(zhì)上是一個(gè)產(chǎn)品中的兩個(gè)不同探頭，不僅其衰減系數(shù)不抗未知的測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，而負(fù)載效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)要低得

同，而且其帶寬、上升時(shí)間和阻抗(R和C)特點(diǎn)也不同。多。另外，由于低電容降低地線影響，可以使用更長(zhǎng)的

結(jié)果，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提地線。但最重要的是，F(xiàn)ET探頭提供的負(fù)荷非常低，因

供標(biāo)準(zhǔn)10X探頭實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)性能。此它們可以用于無(wú)源探頭嚴(yán)重負(fù)荷的高阻抗電路上。

16/accessories

探頭ABC

運(yùn)算

磁盤讀

放大器

差分探頭

圖2.3.一些差分信號(hào)源實(shí)例。圖2.4.可以使用雙通道示波器(a)測(cè)量差分信號(hào)，或最好使用

差分探頭(b)。

由于這些積極優(yōu)勢(shì)，包括DC-4GHz的帶寬，您可能差分探頭

要問(wèn)：為什么還要使用無(wú)源探頭呢？差分信號(hào)是互相參考、而不是參考接地的信號(hào)。圖2.3

說(shuō)明了這些信號(hào)的多個(gè)實(shí)例，包括集電極負(fù)荷電阻器中

答案是有源FET探頭沒(méi)有無(wú)源探頭的電壓范圍。有源

形成的信號(hào)、磁盤驅(qū)動(dòng)器讀通道信號(hào)、多相電源系統(tǒng)和

探頭的線性動(dòng)態(tài)范圍一般在±0.6V到±10V之間。另

信號(hào)在本質(zhì)上“漂浮”在接地之上的各種其它情況。

外它們可以耐受的最大電壓在±40V(DC+峰值A(chǔ)C)。

換句話說(shuō)，其不能像無(wú)源探頭一樣測(cè)量從幾毫伏到幾十可以以兩種基本方式探測(cè)和測(cè)量差分信號(hào)。圖2.4說(shuō)明

伏的電壓，在因疏忽而探測(cè)較高的電壓時(shí)，可能會(huì)損壞了這兩種方法。

有源探頭。靜電放電甚至也會(huì)損壞有源探頭。

如圖2.4所示，使用兩個(gè)探頭進(jìn)行兩項(xiàng)單端測(cè)量是一種

但是，F(xiàn)ET探頭的高帶寬是一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)，其線性電壓常用方法。通常情況下，它也是進(jìn)行差分測(cè)量最不希望

范圍涵蓋了許多典型的半導(dǎo)體電壓。因此，有源FET探的方法。但是，之所以這一方法十分常用，是因?yàn)殡p通

頭通常用于低電平應(yīng)用，包括快速邏輯系列，如ECL、道示波器帶有兩個(gè)探頭。測(cè)量到地的信號(hào)(單端)及使用

GaAs等等。示波器的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)從其它通道中減去一條通道(通道

A信號(hào)減通道B)，這似乎是獲得差分信號(hào)的優(yōu)秀解決方

案。在信號(hào)是低頻信號(hào)、擁有足夠幅度、能夠超過(guò)任何

擔(dān)心的噪聲的情況下，都可以采用這種解決方案。

/accessories17

基礎(chǔ)篇

把兩個(gè)單端測(cè)量組合在一起有多個(gè)潛在問(wèn)題。其中一個(gè)

問(wèn)題是沿著每個(gè)探頭直到每條示波器通道有兩條單獨(dú)的

長(zhǎng)信號(hào)通路。這兩條通路之間的任何延遲差都會(huì)導(dǎo)致兩

個(gè)信號(hào)發(fā)生時(shí)間偏移。在高速信號(hào)上，這個(gè)偏移會(huì)導(dǎo)致

計(jì)算的差分信號(hào)中發(fā)生明顯幅度和定時(shí)誤差。為使這種

誤差達(dá)到最小，應(yīng)使用匹配的探頭。

單端測(cè)量的另一個(gè)問(wèn)題是它們不能提供足夠的共模噪聲

抑制。許多低電平信號(hào)如磁盤讀通道信號(hào)以差分方式傳

輸和處理，以利用共模噪聲抑制功能。共模噪聲是附近

時(shí)鐘線在兩條信號(hào)線上導(dǎo)致的噪聲，或熒光等外部來(lái)源

發(fā)出的噪聲。在差分系統(tǒng)中，差分信號(hào)能夠去掉這種共

模噪聲。這種功能稱為共模抑制比(CMRR)。

圖2.5.P6015A支持75MHz的帶寬，可以測(cè)量高達(dá)20kV的

由于通道差異，隨著頻率提高，單端測(cè)量的CMRR性DC電壓及高達(dá)40kV的脈沖電壓。

能會(huì)迅速下降到令人失望的水平。如果保留共模干擾的

話，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的噪聲比實(shí)際的噪聲還要大很多。高壓探頭

“高壓”是相對(duì)的概念。在半導(dǎo)體行業(yè)中視為高壓，在

另一方面，差分探頭使用差分放大器減去兩個(gè)信號(hào)，從

電源行業(yè)中實(shí)際