無(wú)源探頭是一種將示波器連接到受測(cè)試器件或電路的很好方法。它們具有低成本和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)正確使用時(shí)，還提供合理的信號(hào)完整性。本文將從工作原理入手，通過基本調(diào)節(jié)和使用，對(duì)無(wú)源探頭進(jìn)行探討。我們將討論影響正確測(cè)量的無(wú)源探頭特征，旨在了解這些裝置的最有效應(yīng)用。示波器通常提供50Ω或1 MΩ的輸入端接。50Ω端接通常與匹配的同軸電纜配合使用，以連接到帶50Ω電流源的電路元件。這樣，不但可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的互連，而且只產(chǎn)生最小的信號(hào)失真。使用1 MΩ輸入端接來(lái)連接電路時(shí)，源阻抗更高。這種連接可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)，包括直接使用電纜或X1探頭，或者使用高阻抗探頭。

1MΩ輸入端還包括從15至25 pF的分路電容。使用直接連接時(shí)，不匹配的電纜會(huì)增加額外的電容，每英尺電纜長(zhǎng)度增加10至30微微法拉(pF)。在3英尺長(zhǎng)度電纜的典型情況下，電纜的探頭端的負(fù)載為1 MΩ，并聯(lián)電容大約為90 pF（圖1a）。對(duì)于低頻率測(cè)量，電容負(fù)載可以忽略不計(jì)。例如，在1 kHz的頻率下，容抗約為1.8 MΩ。但是，對(duì)于更高頻率的信號(hào)，效果會(huì)很差。在100 MHz的頻率下，容抗降低至大約18Ω，這將大幅衰減信號(hào)。如高阻抗探頭（圖1b）所示可以減小示波器和連接電纜的輸入電容的影響。此探頭基本上是補(bǔ)償衰減器。輸入電阻器，標(biāo)稱為9 MΩ，形成10:1衰減器，示波器使用1 MΩ輸入端接。電容器Cin和Ccomp被用于補(bǔ)償衰減器，并形成全通網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)Cin和Rin的RC乘積等于Ro的RC乘積以及Cin和Ccomp的電纜電容的總和時(shí)，補(bǔ)償比較理想。Ccomp用于調(diào)節(jié)補(bǔ)償。輸入端的電容取決于Cin，約為電路中的其他電容器的總和的十分之一。在本例中大約為10 pF。高阻抗無(wú)源探頭Chrent幾乎所有主要示波器供應(yīng)商都在他們的設(shè)備中包括了一系列高阻抗探頭。Teledyne LeCroy的HDO4104A四通道、1GHz示波器帶有四個(gè)PP018-1探頭。它們是10:1高阻抗無(wú)源探頭，帶寬為500MHz，輸入電容為10pF。這些探頭可處理至少350Vrms的輸入電壓。

大多數(shù)無(wú)源探頭使用衰減檢測(cè)引腳，通知示波器自動(dòng)縮放波形，而無(wú)需用戶輸入。高阻抗探頭的低頻率補(bǔ)償Chrent高阻抗探頭通過低頻率補(bǔ)償過程，與它們連接到的通道相匹配。對(duì)于這個(gè)過程，所有示波器都提供低頻率方波，一般頻率為1 kHz，通常稱為CAL輸出。要利用這項(xiàng)功能，請(qǐng)首先將探頭連接到所需的通道，然后將探頭尖端連接到CAL輸出端。觸發(fā)示波器并在屏幕上查看選定通道軌跡。使用調(diào)節(jié)工具，在探頭連接器盒中更改補(bǔ)償調(diào)節(jié)，以獲取方波軌跡上的方角，如中間的軌跡所示。

每當(dāng)探頭連接到不同通道時(shí)，就應(yīng)該進(jìn)行補(bǔ)償，特別是在任何關(guān)鍵測(cè)量之前。很多高阻抗探頭還提供高頻補(bǔ)償調(diào)節(jié)。通常不需要執(zhí)行這種調(diào)節(jié)。智能探測(cè)Chrent要正確應(yīng)用高阻抗探頭，必須注意它的基本原理，避免導(dǎo)致測(cè)量的波形出現(xiàn)失真。例如，探頭的輸入電容將對(duì)測(cè)量產(chǎn)生什么影響？為了找到問題答案，請(qǐng)計(jì)算探頭在信號(hào)的最高頻率分量處的容抗(1/2πfCin)。受測(cè)試電路是否支持該負(fù)載？如果支持，請(qǐng)繼續(xù)測(cè)試。如果不支持，請(qǐng)尋找不同的探測(cè)解決方案，例如有源探頭。一條很好的經(jīng)驗(yàn)法則是，高阻抗探頭的使用應(yīng)限于25 MHz以下頻率的信號(hào)。探頭手冊(cè)通常提供了探頭輸入阻抗與頻率的曲線圖，以幫助評(píng)估探頭在任何特定頻率下的適用性。探頭配件也可能導(dǎo)致問題，特別是在高頻率下。一種情況是接地引線電感。圖2顯示的接地引線長(zhǎng)度約為4.3英寸(11 cm)。它有很大的電感。當(dāng)探頭連接時(shí)，電感兩端的任何電壓都將與信號(hào)串行。讓接地路徑長(zhǎng)度盡可能短是可取的做法。為此，探頭附帶提供了多種配件。其中包括探頭尖端接地和BNC適配器，可用于這種目的。圖4比較了使用不同接地配件來(lái)測(cè)量階躍信號(hào)的結(jié)果，上升時(shí)間為3納秒(ns)。圖4中的黃色軌跡是來(lái)自發(fā)生器的信號(hào)，它使用50Ω輸入端接進(jìn)行測(cè)量得到，將作為信號(hào)質(zhì)量的基準(zhǔn)。紅色軌跡為使用11 cm接地引線的結(jié)果。引線電感兩端形成的信號(hào)的高頻分量導(dǎo)致了可觀察到的波形過沖。探頭尖端接地和BNC適配器具有大致相同的響應(yīng)，但過沖卻小得多，因?yàn)榻拥芈窂介L(zhǎng)度更短，且各自串聯(lián)電感也比較低。正如上文所述，只有在信號(hào)具有很大的高頻分量時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)這種效果。如果使用正弦波進(jìn)行相同的測(cè)量，差異可能根本不明顯。在使用探頭時(shí)，請(qǐng)牢記這些效應(yīng)。探頭配件及其用途Chrent表1列出了PP018-1-ND探頭附帶提供的配件及其用途。

為示波器選擇備選探頭Chrent有些時(shí)候，測(cè)量應(yīng)用可能需要不同的示波器探頭。例如，電源測(cè)試既需要直接連接，以便進(jìn)行紋波測(cè)量，又需要x10高阻抗探頭，以便測(cè)量電壓軌。如果必須在兩個(gè)探頭之間切換，那將會(huì)耗費(fèi)很多時(shí)間，但多個(gè)x1/x10可切換探頭。這意味著用戶無(wú)需更換探頭，但如何確定適當(dāng)?shù)奶娲筋^呢？第一個(gè)步驟是確定測(cè)量所需的帶寬。在本例中，100 MHz以下的探頭帶寬即可滿足需求。確定探頭的最大額定電壓，以確保它符合測(cè)量要求。最后，確認(rèn)示波器的輸入電容在探頭x10規(guī)范的補(bǔ)償范圍內(nèi)。SP300B x1/x10可切換探頭非常適合與具有15 pF輸入電容的HDO 4104A示波器配合使用，帶寬為300 MHz，最大輸入為300伏特，補(bǔ)償范圍為10至35 pF。結(jié)論要正確應(yīng)用高阻抗無(wú)源探頭，就需要掌握有關(guān)測(cè)試問題和技術(shù)的基本知識(shí)，還需要具備一些經(jīng)驗(yàn)，此類探頭是一種很好的通用工具，用于將示波器連接到測(cè)試電路。請(qǐng)記住，它們并不是探測(cè)問題的唯一解決方案，但提供了經(jīng)濟(jì)高效的著手點(diǎn)。

審核編輯：符乾江