作者：聶文偉
Oscilloscope.China@rohde-schwarz.com
“ScopeArt先生”團隊成員
在《示波器探頭基礎(chǔ)入門指南（上）》一文中，我們主要介紹了示波器探頭的種類及其工作原理，接下來我們將介紹示波器探頭的主要指標(biāo)，如何選擇示波器探頭，以及在示波器探頭的使用過程中應(yīng)該注意哪些問題。
2 示波器探頭的主要指標(biāo)
2.1 帶寬
與示波器一樣，示波器探頭的頻響類似一個低通響應(yīng)。探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)輸出幅度下降到70.7%（-3dB）時對應(yīng)的輸入信號頻率。
圖1探頭頻響及帶寬定義
當(dāng)示波器配合探頭使用時，示波器+探頭就構(gòu)成了一套測量系統(tǒng)，此測量系統(tǒng)的帶寬滿足以下公式：
可見，探頭帶寬越高，對示波器帶寬的影響也就越小。一般我們推薦示波器探頭的帶寬為示波器帶寬的1.5倍，即探頭帶寬略高于示波器帶寬。
2.2 上升時間
探頭的上升時間是指探頭對階躍函數(shù)10%-90%的響應(yīng)時間。一般而言，探頭帶寬越高，上升時間越短。
與示波器一樣，大多數(shù)探頭的帶寬與上升時間滿足0.35公式，即：
示波器+探頭測量系統(tǒng)的上升時間則滿足以下公式：
2.3 輸入阻抗
探頭一般都標(biāo)注了輸入阻抗值，從50?至10M?甚至更高。探頭的輸入阻抗會嚴(yán)重影響探頭的負(fù)載效應(yīng)（將在第三節(jié)中詳述）。輸入阻抗越大，探頭的負(fù)載效應(yīng)越小，對待測電路正常工作影響也就越小。輸入阻抗越小，探頭的負(fù)載效應(yīng)越大，對待測電路正常工作的影響就越大。
2.4 輸入電容
輸入電容是有源探頭的一項關(guān)鍵指標(biāo)。有源探頭的輸入電容一般很小，小至pF甚至零點幾pF。小的電容會在高的頻帶上提供較大的輸入阻抗，從而減小負(fù)載效應(yīng)。由輸入電容導(dǎo)致的輸入阻抗公式如下：
由以上公式可知，Cin越小，探頭可以支持更高的帶寬f，這也是為什么有源探頭相對于無源探頭而言可以提供更大的帶寬的原因。
2.5 衰減比
一般探頭都會對探測到的信號進(jìn)行衰減，然后輸送至示波器。*常見的衰減比為10：1，即信號衰減為原始的十分之一，此時衰減比標(biāo)注為10X。此外，常見的還有1X、100X、1000X探頭等。
2.6 *大輸入范圍
探頭都有*大輸入范圍，超過一定輸入范圍則可能損壞探頭。
3 示波器探頭使用注意事項
3.1 負(fù)載效應(yīng)
探頭的負(fù)載效應(yīng)是指被測電路接上探頭后，探頭與示波器一起組成了待測電路的并聯(lián)負(fù)載，從而吸引一部分電流流入示波器，對原始待測電路上的信號產(chǎn)品影響。如果負(fù)載效應(yīng)很大，則測到的波形與原始波形變化很大，示波器就不能準(zhǔn)確測量波形。
圖2示波器探頭接入引起負(fù)載效應(yīng)
那么如何評判探頭的負(fù)載效應(yīng)呢？一般來說，探頭接入的輸入阻抗應(yīng)為待測電路待測點處輸出阻抗的10倍以上，此時負(fù)載效應(yīng)較小，測量誤差在允許范圍以內(nèi)。
如下圖所示：
圖3負(fù)載效應(yīng)示例
在探頭探測前，探測點的電壓為5V × 100K?/（100?+100K?）=4.995V。探頭探測后，并聯(lián)了一個1M?的阻抗，此時探測點的電壓為：
5V × (90.9k)/[100+(90.9k)] = 4.994V
此時，探頭引入的負(fù)載效應(yīng)僅為0.001V，可以忽略不計。如果待測點的輸出阻抗更高，則需要使用更高輸入阻抗的探頭。
值得一提的是，當(dāng)我們測試由信號源輸出的射頻信號時，一般使用的是50?傳輸線纜。50?的傳輸線纜與信號源輸出阻抗（50?）相匹配，使功率*大的傳輸至示波器，從而保證了測量精度。
而在某些時候，工程師希望測試電路板上某個探測點處的頻譜，往往使用剪斷的50?傳輸線纜，在剪斷處剝離地和傳輸芯，用以接觸探測點。線纜另一端則連接至頻譜儀。
圖4前段剝離的50?傳輸線纜
這種做法則是不可取的，電路板上的探測點與射頻源的輸出不同，由于傳輸線的50?低阻抗，會對測試點處引入較大的負(fù)載效應(yīng)。正確的做法是，使用高輸入阻抗的探頭取代50?傳輸線纜，與頻譜儀連接。
R&S提供了RT-ZA9的BNC-N轉(zhuǎn)接頭方案，它可以將高輸入阻抗的R&S有源探頭（1M?）與頻譜儀或接收機相連接，對需要高阻抗測試的DUT進(jìn)行精準(zhǔn)測量。
圖5 RT-ZA9轉(zhuǎn)接頭示意圖
前面介紹過，探頭一般含有電阻、容性阻抗和感性阻抗。電阻的負(fù)載效應(yīng)會對信號DC分量測量造成影響，對波形的幅度測量造成誤差。容性阻抗對AC分量的測量造成影響，比如會影響（延緩）信號的上升時間。感性阻抗則會對波形測量引入振鈴現(xiàn)象。
圖6探頭負(fù)載效應(yīng)分類
3.2 探頭補償
我們在與電子測量工程師的交流中，經(jīng)常提到探頭補償?shù)膯栴}。當(dāng)我們購買示波器后**次使用時，或者因探頭資源緊張而臨時拿其他品牌探頭使用時，都會涉及到探頭補償問題。
所謂探頭補償是指示波器與探頭連接使用時，調(diào)整探頭的可變電容，在探頭與示波器之間進(jìn)行頻率補償，使頻率達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)補償完成后，具備如下關(guān)系式：
即：為了*大限度地傳送信號，示波器的輸入電阻和電容必須與探頭輸出的電阻和電容相匹配，此時探頭具有*優(yōu)信號傳送能力。
那么如何進(jìn)行探頭補償呢？
探頭補償一般針對無源探頭而言（有源探頭也存在補償），使用過無緣探頭的工程師可能會發(fā)現(xiàn)，在無緣探頭與示波器接觸的一端上有一個小孔，這個小孔內(nèi)有一個十字旋鈕。通過探頭自帶的螺絲刀小工具即可深入小孔內(nèi)調(diào)節(jié)探頭的可調(diào)電容值。
圖7調(diào)節(jié)無源探頭的可調(diào)電容值
具體原理如下圖所示：
圖8通過調(diào)節(jié)探頭可調(diào)電容Ccomp來實現(xiàn)探頭匹配
探頭補償?shù)牟襟E如下：
在調(diào)節(jié)探頭時，示波器上顯示的方波信號可能存在以下三種狀態(tài)：
圖9探頭欠補償、過補償、匹配狀態(tài)的波形
3.3 諧振效應(yīng)
在使用探頭測量信號上升沿時，把示波器的時基范圍調(diào)小，一般能看到在上升沿的過沖部分存在振鈴現(xiàn)象，即探頭帶來的諧振效應(yīng)。
圖10探頭帶來的振鈴效應(yīng)
探頭不僅存在阻抗以及寄生電容，還存在寄生電感（特別是在測試高頻信號時）。探頭是由導(dǎo)線和地線組成的，通常導(dǎo)線及地線越長，電感值就越大。探頭上的寄生電感和寄生電容容易形成諧振回路，在輸入信號的激勵下，在某些頻率上產(chǎn)生高頻減幅諧振，從而出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。
圖11振鈴現(xiàn)象的產(chǎn)生
如下圖所示，探頭的輸入阻抗會在特定頻率fx處達(dá)到*小值。
圖12探頭輸入阻抗
此時探頭的寄生電感、寄生電容以及待測信號源構(gòu)成諧振回路，出現(xiàn)諧振效應(yīng)，諧振頻率為：
其中，Lcon為探頭寄生電感，Cin為輸入電容。如果諧振頻率剛好落在探頭帶寬范圍之內(nèi)，則在測試此頻率的信號時會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。
為了降低這種效應(yīng)，使用者往往使用*短的地線，從而減小探頭的Lcon寄生電感，使得fresonance諧振頻率*大化，從而超出示波器探頭的帶寬范圍，也就進(jìn)一步有效避免了諧振效應(yīng)。
探頭地線的長度嚴(yán)重影響諧振效應(yīng)，以下圖片充分說明了地線長短對波形上升沿測量的影響。
圖13不同長短的底線的諧振效應(yīng)
由圖示可知，地線越短，諧振效應(yīng)越小，上升沿引起的振鈴現(xiàn)象越不明顯，此時的測量精度也就越高。所以，在測試環(huán)境允許的情況下，盡可能地使用更短的地線。
3.4 浮地測量問題
測量差分信號時，我們往往面臨以下3種選擇：
圖14使用兩個單端探頭測量差分電壓
圖15使用差分探頭測量差分電壓
圖16使用浮地的方法測量差分信號
第1種方法需要兩個通道及探頭之間的完全一致性。即便如此，兩個通道上產(chǎn)生的不同噪聲也會對測量結(jié)果造成影響，此種方法測試的CMRR共模抑制比很差，不作推薦。
第2種方法是*值得推薦的方法，使用差分探頭具有高CMRR（在《示波器探頭綜述（上）》有記載），測得數(shù)值**。
然而，差分探頭往往價格昂貴，并非所有客戶愿意花重金采購。因而就有了第3種方法，使用單端探頭對差分信號直接進(jìn)行浮地測量。
差分信號兩端一正一負(fù)，如果要使用單端探頭進(jìn)行探測，往往將單端探頭的地端與差分信號的負(fù)端相接。而單端探頭接上示波器后，探頭地線會與示波器電源地線共地，從而將差分信號的負(fù)端拉至地，對原始差分信號有影響。因此，有人想到浮地測量的方法，即將示波器電源地線剪斷，使示波器浮地。
浮地測量在電源測試中可能會造成觸電危險，因為有些差分電壓的負(fù)端高達(dá)負(fù)的上百上千伏。在測試過程中，如果人手不小心觸碰到示波器其他通道的BNC接地殼，則會觸電！因此，浮地測量不是推薦的測量方法。
圖17浮地測量帶來觸電危險
除了以上3種常見測量方法之外，還可以使用通道隔離的示波器，或者使用隔離電源對示波器供電的方法。在此就不作詳述了。
3.5 其他品牌探頭兼容性問題
我們在日常使用示波器時經(jīng)常出現(xiàn)原始匹配探頭丟失或損壞的情況。此時，能夠解決問題的辦法通常是拿手頭上其他品牌的探頭臨時配合示波器使用。很多人不了解具體情況，插上示波器探頭就開始測試，這樣往往測得的數(shù)值存在很大偏差，是不可取的！
并非不同品牌示波器和探頭不能配合使用，實際上，目前市面上絕大多數(shù)品牌示波器的無源探頭均具備統(tǒng)一的BNC接口，可以與其他品牌示波器配合使用。但是在正式測量之前，有幾點需要注意。
首先，一般示波器無法自動識別其他品牌探頭的衰減比（衰減因子），所以在與其他品牌探頭一起使用時，需要在示波器上手動設(shè)置探頭衰減比，這樣才能防止測量值偏差10幾倍甚至上千倍的錯誤。
其次，不同品牌的示波器和探頭之間同樣存在不匹配問題，即前面所述探頭補償問題。所以，在測試之前，需要對探頭進(jìn)行補償。
此外，不同廠家的有源探頭（包括有源單端、有源差分、部分電流探頭等）甚至部分無源探頭設(shè)計為獨特接口標(biāo)準(zhǔn)。針對此類探頭，有時可采用不同的轉(zhuǎn)換接頭使用，如R&S為有源探頭提供的BNC轉(zhuǎn)N型的RT-ZA9轉(zhuǎn)接頭等。而大多數(shù)不具備轉(zhuǎn)接頭的探頭則無法與其他品牌示波器通用。
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