你真的了解示波器探頭？
PART/01 探頭基本介紹
探頭是連接被測(cè)電路與示波器的器件，它可將被測(cè)的電信號(hào)從測(cè)量點(diǎn)引入到示波器，使得示波器可以測(cè)試和分析電子電路。
理想的探頭應(yīng)具有如下特點(diǎn)：
極高抗噪性
絕對(duì)的信號(hào)保真度
對(duì)被測(cè)電路的影響盡可能小
探頭與被測(cè)點(diǎn)連接十分方便
PART/02 探頭的指標(biāo)
01衰減系數(shù)
指探頭信號(hào)幅值的衰減比例。典型的衰減系數(shù)有1×、10×、100×。1× 探頭不會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減，10× 探頭會(huì)將信號(hào)衰減10倍再輸入示波器。
早期我們使用探頭時(shí)（如圖1），需要人工在示波器上設(shè)置與探頭相同的衰減系數(shù)，才能測(cè)得真實(shí)的數(shù)值，一般探頭有1×和10×兩個(gè)檔位。
現(xiàn)在部分探頭上有一個(gè)檢測(cè)針腳（如圖2），示波器可以通過這個(gè)針腳來自動(dòng)檢測(cè)讀取探頭的衰減系數(shù)，并自動(dòng)改變示波器屏上顯示的垂直衰減范圍，但前提是示波器本身支持自動(dòng)識(shí)別探頭，探頭也支持被識(shí)別。
02 帶寬
探頭的帶寬和示波器的帶寬定義一樣，通常指正弦波信號(hào)衰減到-3dB時(shí)的頻率，此時(shí)測(cè)得的信號(hào)幅度只有真實(shí)信號(hào)的70.7%。200MHz探頭就有200MHz帶寬，1GHz探頭就有1GHz帶寬。
帶寬代表著探頭能傳送多大頻率的信號(hào)給示波器，如果探頭帶寬不夠，信號(hào)會(huì)被嚴(yán)重衰減。
探頭帶寬的選擇：
探頭帶寬不是越高越好，因?yàn)樵肼暰鶆蚍植荚诟鱾€(gè)頻率之間，探頭帶寬越高，引入信號(hào)的噪聲也就越多。應(yīng)基于探頭帶寬不低于示波器帶寬的原則，才能使探頭充分利用示波器的帶寬。
當(dāng)探頭帶寬小于示波器帶寬時(shí)，系統(tǒng)帶寬會(huì)受到限制而產(chǎn)生波形失真，這便是探頭和示波器之間的不匹配造成的。
如果被測(cè)信號(hào)的頻率范圍低， 建議選擇低帶寬探頭，因?yàn)榈蛶捥筋^的靈敏度高，對(duì)于需要精確測(cè)量信號(hào)微小變化的應(yīng)用非常重要。而高帶寬探頭響應(yīng)時(shí)間快，可以更好地跟蹤瞬變信號(hào)，在射頻工程、無線電通信等領(lǐng)域可提供更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。
03 上升時(shí)間
如果需要測(cè)量方波信號(hào)，就需要考慮探頭的上升時(shí)間，指的是輸出信號(hào)從10%上升至90%所需的時(shí)間。一般探頭帶寬越高，靈敏度越高，同時(shí)上升時(shí)間越短，被測(cè)信號(hào)的還原度就越高。
測(cè)試具有上升沿的信號(hào)，示波器上測(cè)得的上升沿時(shí)間是各個(gè)器件上升時(shí)間的平方和的方根值。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如方波信號(hào)上升沿時(shí)間為5ns，則經(jīng)過一個(gè)上升時(shí)間為2ns的探頭，最終的上升時(shí)間就大致為：
如果換成0.5ns的探頭，則總上升時(shí)間為：
因此在測(cè)量信號(hào)的上升時(shí)間或下降時(shí)間時(shí)，為了盡可能還原真實(shí)信號(hào)，就需要選擇探頭上升時(shí)間遠(yuǎn)小于被測(cè)信號(hào)上升時(shí)間的探頭，一般需要3~5倍。
04 輸入電壓
輸入電壓指示波器探頭能測(cè)多高電壓，不同類型的探頭有不同的最大電壓范圍。比如一般10×的無源探頭的最大輸入電壓為300V RMS CAT Ⅱ。
其中CAT Ⅱ 指的是一類測(cè)試場(chǎng)景，300V RMS CAT Ⅱ指的是在CAT Ⅱ類測(cè)試場(chǎng)景下可以測(cè)量的最大電壓，且這個(gè)電壓值會(huì)隨著頻率的變化而變化。一般廠家會(huì)給出探頭的電壓額定曲線，如圖：
05 輸入電容
輸入電容是探頭輸入端與地之間所存在的電容，輸入電容的大小會(huì)影響探頭的頻率響應(yīng)和輸入阻抗，頻率響應(yīng)是指探頭在不同頻率下對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。
輸入電容越小，探頭的頻率響應(yīng)越高，對(duì)高頻信號(hào)的響應(yīng)能力越強(qiáng)，同時(shí)穩(wěn)定性越強(qiáng)，容易抵抗外界的干擾，抗噪性能好。所以在一些對(duì)穩(wěn)定性和噪聲性能要求較高的應(yīng)用中，通常選擇較小輸入電容的探頭。
06 輸入電阻
輸入電阻指探頭輸入端的電阻，它決定了探頭對(duì)被測(cè)電路的影響程度。
輸入阻抗越大，探頭對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載影響越小，精度越高。而輸入阻抗過低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過大的負(fù)載，從而影響到被測(cè)電路的工作狀況。
07 示波器補(bǔ)償范圍
無源探頭是通用設(shè)備，但在不同示波器或不同通道使用時(shí)，都會(huì)存在誤差。因此，探頭一般帶有一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可對(duì)探頭進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)。
通過探頭補(bǔ)償可以提高示波器測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度，保證數(shù)據(jù)的可靠性，如果補(bǔ)償不足或者補(bǔ)償過度，就會(huì)測(cè)得錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。
當(dāng)示波器更換新探頭或探頭長(zhǎng)時(shí)間未使用時(shí)，我們應(yīng)該對(duì)探頭進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)。校準(zhǔn)需使用探頭包裝里的螺絲刀擰動(dòng)可調(diào)電容旋鈕。
具體校準(zhǔn)過程如下：
把探頭的BNC接至通道1，另一端接到示波器校準(zhǔn)信號(hào)輸出端口。
將探頭的衰減比調(diào)到x10檔，同時(shí)將示波器上探頭接入通道的倍率調(diào)成一致。
觀察示波器產(chǎn)生的方波形狀是否為標(biāo)準(zhǔn)的方波。如果探頭有過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償，得到的方波有過沖或上升沿頂部變緩現(xiàn)象，如下圖。
通過螺絲刀調(diào)節(jié)探頭上面的螺絲孔位置，調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容，使得方波波形達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。
準(zhǔn)完成。
欠補(bǔ)償
過補(bǔ)償
標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)
08 電纜長(zhǎng)度
示波器探頭的電纜長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，電纜長(zhǎng)度過長(zhǎng)，雜散電容與電感越多，會(huì)導(dǎo)致一定的傳播延時(shí)，造成信號(hào)失真。但這個(gè)延時(shí)一般不會(huì)造成群延時(shí)的失真，不會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響。
只有使用兩個(gè)通道以上一起測(cè)量時(shí)，特別是使用電壓探頭與電流探頭一起進(jìn)行功率測(cè)量時(shí)，不同探頭之間的延時(shí)就會(huì)造成很大的影響。
如要進(jìn)行準(zhǔn)確的功率損耗測(cè)量，利用相位校準(zhǔn)板可以快速校準(zhǔn)電流探頭和電壓探頭的相位。鼎陽(yáng)科技的相位校準(zhǔn)板（DF2001A）可執(zhí)行電流和電壓通道時(shí)滯校準(zhǔn)，校正電流和電壓探頭之間的時(shí)間延遲。
