01示波器探頭概述

圖表 1示波器與探頭

在電子工程師的工具箱里，示波器無疑是最核心的儀器之一。它就像一把“電子世界的放大鏡”，能夠捕捉電路中的瞬態(tài)信號(hào)，幫助我們看清那些肉眼無法察覺的波形變化。而探頭是示波器測(cè)量系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，它就像示波器感知被測(cè)信號(hào)的 “觸角”，起到了信號(hào)傳輸和匹配的關(guān)鍵作用。在電子測(cè)量領(lǐng)域，無論是對(duì)模擬電路還是數(shù)字電路的信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)分析，探頭都廣泛應(yīng)用其中。

探頭主要分為有源探頭和無源探頭兩大類。有源探頭內(nèi)部包含放大器等有源元件，能夠提供更高的帶寬和更低的輸入電容，適用于高頻、低幅度信號(hào)的測(cè)量。然而，無源探頭因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高而成為最常見的一種探頭類型。

圖表 2無源探頭

02示波器無源探頭的工作原理

從外觀上看，無源探頭通常由探頭尖端、地線夾、探頭主體以及與示波器相連的接口等部分構(gòu)成。探頭尖端用于接觸被測(cè)電路的測(cè)試點(diǎn)，地線夾則確保電路的地與示波器的地良好連接，從而形成完整的信號(hào)回路。

當(dāng)探頭尖端接觸到被測(cè)電路的信號(hào)點(diǎn)時(shí)，被測(cè)信號(hào)會(huì)通過探頭內(nèi)部的電路傳輸?shù)绞静ㄆ?。在傳輸過程中，無源探頭會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定程度的衰減和調(diào)整，以使信號(hào)能夠在示波器的輸入范圍內(nèi)并準(zhǔn)確地反映真實(shí)情況。

探頭內(nèi)部通常會(huì)有一個(gè)衰減網(wǎng)絡(luò)，一般由電阻和電容組成。例如常見的 10:1 衰減探頭，其內(nèi)部電路可以使輸入信號(hào)的幅值衰減為原來的十分之一，同時(shí)對(duì)信號(hào)的頻率特性等進(jìn)行相應(yīng)的匹配調(diào)整，確保示波器能夠正確地顯示信號(hào)的波形和特征。

此外，探頭還需要與示波器的輸入阻抗進(jìn)行匹配，以減少信號(hào)反射和失真。通常示波器的輸入阻抗是 1MΩ，無源探頭通過內(nèi)部的阻抗匹配電路，使得整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗接近理想狀態(tài)，從而獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

03示波器無源探頭的主要參數(shù)

1.寬帶

帶寬是無源探頭一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，它決定了探頭能夠準(zhǔn)確測(cè)量的信號(hào)頻率范圍。例如，一個(gè)帶寬為 100MHz 的無源探頭，理論上能夠較好地對(duì)頻率在 100MHz 以下的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。如果信號(hào)頻率超過探頭的帶寬，探頭會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生較大的衰減和失真，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。所以在選擇無源探頭時(shí)，要根據(jù)被測(cè)電路中信號(hào)的最高頻率來確定合適的帶寬，一般建議探頭的帶寬至少要達(dá)到被測(cè)信號(hào)最高頻率的兩倍以上，以保證測(cè)量精度。

但是我們不要忽略示波器與探頭在測(cè)試時(shí)可以看作一個(gè)系統(tǒng)，所以我們需要考慮系統(tǒng)帶寬問題，并且要同時(shí)考慮二者的帶寬影響。一般來說，為了充分利用示波器帶寬，在選擇探頭時(shí)，其帶寬最好大于等于示波器帶寬。而探頭帶寬并非越高越好，首先，探頭帶寬越高，成本就越高，其次，會(huì)引入更多的高頻噪聲，導(dǎo)致信噪比惡化，進(jìn)而降低測(cè)量精度，因此我們選擇探頭時(shí)要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇帶寬足夠而又不過高的探頭。

2.衰減系數(shù)

衰減系數(shù)表示探頭對(duì)輸入信號(hào)的衰減程度，常見的有 10:1、100:1 等。10:1 衰減系數(shù)的探頭會(huì)將輸入信號(hào)衰減為原來的十分之一后傳輸?shù)绞静ㄆ?。合適的衰減系數(shù)可以幫助將被測(cè)信號(hào)調(diào)整到示波器合適的測(cè)量范圍內(nèi)，同時(shí)也能在一定程度上提高測(cè)量的抗干擾能力。例如，當(dāng)被測(cè)信號(hào)幅值較大時(shí)，使用較高衰減系數(shù)的探頭可以避免示波器輸入過載，確保示波器的安全和測(cè)量的準(zhǔn)確性。當(dāng)我們將探頭連接至示波器輸入通道，大多數(shù)情況下示波器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)連接探頭的衰減比，并將捕獲的信號(hào)幅度乘以衰減倍數(shù)，直接顯示原始信號(hào)值。

和帶寬一樣，衰減比也并非越大越好，因?yàn)槭静ㄆ髟趯⒉东@的信號(hào)幅度恢復(fù)成原始幅度時(shí)，示波器的底噪也會(huì)乘以衰減倍數(shù)而變大。而示波器的垂直靈敏度也會(huì)被探頭衰減比限置，如最小垂直靈敏度為1mV/div的示波器在插上10:1探頭后，其最小垂直靈敏度只能到10mV/div。在這種情況下，很難有效測(cè)量mV級(jí)別小信號(hào)，示波器無法對(duì)小信號(hào)進(jìn)行充分放大并提高測(cè)量精度。因此，在測(cè)量小信號(hào)時(shí)，盡量選擇衰減比小的探頭，如1：1衰減比無源探頭，一般可用于測(cè)量較小的電源紋波。

3.輸入阻抗

在使用探頭測(cè)量信號(hào)時(shí)，探頭自身也成為了信號(hào)源的負(fù)載，它的阻抗也會(huì)成為原始電路中的一部分。輸入阻抗是指探頭在連接到被測(cè)電路時(shí)呈現(xiàn)給被測(cè)電路的總阻抗，它對(duì)被測(cè)電路的影響至關(guān)重要。理想情況下，探頭的輸入阻抗應(yīng)盡可能高，以減小對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)。一般來說，無源探頭的輸入阻抗主要包括電阻分量和電容分量。電阻分量通常在兆歐級(jí)，如常見的 1MΩ。電容分量則會(huì)影響信號(hào)的高頻特性。如果輸入阻抗過低，會(huì)從被測(cè)電路中吸取較大的電流，導(dǎo)致信號(hào)源的輸出電壓下降，測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。同時(shí)，電容分量還可能會(huì)與示波器輸入端和被測(cè)電路的電容相互作用，引起信號(hào)的高頻衰減和失真，所以在對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要對(duì)探頭的輸入電容進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)更加平坦，以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

04示波器無源探頭的使用方法

01 進(jìn)行探頭補(bǔ)償調(diào)節(jié)

除了輸入電阻之外，所有示波器還具有特定的固有電容。此電容一般較低，通常為數(shù)十微微法拉。這不會(huì)給直流測(cè)量造成問題。這在交流測(cè)量中非常重要，因?yàn)殡S著頻率增加，輸入電容開始起到低通濾波器的作用，而探頭補(bǔ)償用于將示波器的固有輸入電容與探頭尖端的電容相匹配，這將有效減少所測(cè)信號(hào)的幅度和脈沖波形誤差。

如果探頭未經(jīng)補(bǔ)償或補(bǔ)償不佳則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，包括幅度不準(zhǔn)確，以及波形失真，特別是信號(hào)的上升和下降邊沿失真；如前面所述，探頭補(bǔ)償主要是針對(duì)高頻交流成分進(jìn)行補(bǔ)償，所以當(dāng)信號(hào)頻率增加時(shí)，探頭補(bǔ)償不佳會(huì)導(dǎo)致的測(cè)量不準(zhǔn)確性更大。

幾乎所有示波器都具有一般以 1000 Hz 頻率運(yùn)行的內(nèi)置方波發(fā)生器。此發(fā)生器通常標(biāo)為“Probe Comp.”，并且使用方波和接地符號(hào)表示。

圖表 5 Probe Comp.

1將探頭尖端連接至方波源，探頭接地線接地：

圖表 6 補(bǔ)償步驟1

2然后使用絕緣螺絲刀或工具調(diào)整電容，直到方波補(bǔ)償信號(hào)盡可能呈矩形：

圖表 7 補(bǔ)償步驟2

3補(bǔ)償信號(hào)的頂端基本呈水平時(shí)，表明探頭得到適當(dāng)補(bǔ)償。過補(bǔ)償探頭會(huì)在信號(hào)的上升沿產(chǎn)生過沖，而欠補(bǔ)償探頭會(huì)在信號(hào)的上升沿產(chǎn)生下沖。

圖表 8 探頭補(bǔ)償示例

對(duì)于過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償探頭，補(bǔ)償電容會(huì)進(jìn)行調(diào)整直至波形具有良好的方形邊緣。通常這只需稍加轉(zhuǎn)動(dòng)即可。

請(qǐng)注意，方波或矩形波具有高頻和低頻分量，因此可用于探頭補(bǔ)償。

應(yīng)該在首次使用探頭或執(zhí)行重要測(cè)量之前補(bǔ)償探頭。由于不同示波器的輸入電容各異，因此將探頭用于不同的示波器時(shí)也需要進(jìn)行補(bǔ)償。在同一示波器的不同端口之間移動(dòng)探頭通常無需進(jìn)行補(bǔ)償。但是，頻率信號(hào)越高，探頭補(bǔ)償越重要。

02 正確連接地線

在使用無源探頭之前，首先要確保地線連接正確。將探頭的地線夾牢固地夾在被測(cè)電路的接地位置上，盡量使地線夾靠近被測(cè)信號(hào)點(diǎn)，以減少地線的電感和電阻帶來的影響，降低測(cè)量誤差。同時(shí)，要檢查地線是否完好無損，避免因地線接觸不良導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定或測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

03 選擇合適的衰減系數(shù)

根據(jù)被測(cè)信號(hào)的幅值大小，選擇合適的衰減系數(shù)。如果信號(hào)幅值較大，可以使用較大衰減系數(shù)的探頭，如 100:1，這樣可以將信號(hào)衰減到示波器合適的測(cè)量范圍內(nèi)。如果信號(hào)幅值較小，則選擇較小衰減系數(shù)的探頭如 10:1，以保證信號(hào)在示波器上能夠清晰地顯示出來。在連接探頭到示波器后，一般情況下還需要在示波器上設(shè)置對(duì)應(yīng)的探頭衰減系數(shù)，以便示波器能夠正確地對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和顯示。

但是在某些情況下，示波器可以檢測(cè)出是 1x 還是 10x 探頭，并自動(dòng)調(diào)整設(shè)置。這是因?yàn)樵S多 10x 探頭在示波器側(cè)都有一個(gè)金屬探針，如果金屬探針與示波器輸入端的感應(yīng)環(huán)接觸，示波器即知道正在使用 10x 探頭。

部分探頭可以通過移動(dòng)側(cè)邊上的開關(guān)以用作 1x 或 10x 探頭。此類探頭被稱為可切換探頭。使用可切換探頭時(shí)，如果未自動(dòng)檢測(cè)到探頭衰減，確保相應(yīng)調(diào)整示波器設(shè)置。

05示波器無源探頭的常見故障及解決方法

1信號(hào)失真

如果在測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)示波器顯示的信號(hào)波形失真，可能是由于探頭的帶寬不足、輸入電容未補(bǔ)償好或者探頭損壞等原因?qū)е碌摹Ｊ紫瓤梢詸z查探頭的帶寬是否滿足被測(cè)信號(hào)的要求，如果帶寬不夠，需要更換更高帶寬的探頭。然后檢查探頭是否已經(jīng)進(jìn)行了正確的補(bǔ)償調(diào)節(jié)，重新進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)操作。如果經(jīng)過這些操作后信號(hào)仍然失真，可能需要檢查探頭內(nèi)部的電路是否損壞，如電阻、電容等元件是否出現(xiàn)故障，必要時(shí)可以更換探頭。

2信號(hào)衰減異常：

當(dāng)發(fā)現(xiàn)示波器顯示的信號(hào)幅值明顯偏離實(shí)際預(yù)期值時(shí)，可能是探頭的衰減系數(shù)設(shè)置不正確或者探頭內(nèi)部的衰減網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障。首先要檢查示波器上設(shè)置的探頭衰減系數(shù)是否與實(shí)際使用的探頭衰減系數(shù)一致，如果不一致，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。如果設(shè)置正確，可以嘗試更換探頭或者檢查探頭內(nèi)部的電阻、電容等元件是否正常，以確定是否存在故障。

3探頭尖端損壞：

在使用過程中，如果探頭尖端受到撞擊、擠壓或者過度磨損，可能會(huì)導(dǎo)致尖端損壞。損壞的探頭尖端會(huì)影響與被測(cè)信號(hào)點(diǎn)的接觸質(zhì)量，從而導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定或者測(cè)量誤差增大。對(duì)于損壞的探頭尖端，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

總之，示波器無源探頭雖然看似簡單，但它是電子測(cè)量中不可或缺的重要工具。了解其工作原理、參數(shù)、正確使用方法以及常見故障處理，對(duì)于準(zhǔn)確地進(jìn)行電子電路信號(hào)測(cè)量和分析具有重要的意義，能夠幫助工程師和技術(shù)人員更好地開展電子設(shè)備的研發(fā)、調(diào)試和維護(hù)等工作。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測(cè)試測(cè)量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立 90 多年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。