淺談示波器測量中探頭的選擇和使用
2012-08-24
一、電壓探頭的主要種類
探頭是電壓傳感器的一種，用戶應根據被測對象電壓值、輸出阻抗、電壓頻率選擇相適合的電壓探頭。目前示波器所使用的探頭種類非常多，探頭不同，其輸入阻抗(電阻值、電容值)或模擬帶寬也有很大差別，在準備測量之前，用戶需要充分了解探頭種類和各種探頭之間的差別。一般在高頻測量中被經常使用的探頭大致分為以下三種:
二、高頻測量時需要注意的問題
負荷效應
當探頭與被測量回路相連接，探頭的輸入阻抗將對被測系統產生影響。這種現象稱為負荷效應。例如：在測量反饋回路時，探頭阻抗會改變回路內電壓相位，結果使回路動作發生變化，在震動回路中可能改變震動頻率，更為嚴重時出現震動停止等情況。因此測量時要考慮到探頭可能產生的負荷效應，特別是在測量靜電容量等敏感電路時，更需要注意探頭種類的選擇。
探頭電容**測量帶寬
在測量100MHz以上高頻波形成分時，信號源阻抗和探頭電容容量形成低通濾波器，對測量結果產生顯著影響。以50Ω回路為例(圖1)，在終端測量信號波形時，信號源的等效阻抗為25Ω(50Ω并聯)，這里因為回路內追加了探頭電容，形成的低通濾波器截止頻率為fc＝1/2πRC。如果使用14pF的無源探頭截止頻率則為fc＝455MHz，輸入容量為0.9pF的截止頻率則為fc＝7GHz。
測量高輸出阻抗回路時，負荷效應會更加明顯，所以推薦使用輸入電容較小的有源探頭/FET探頭。
因電感而產生共振
在使用探頭觀測波形信號時必然用到同軸電纜，因為探頭是通過同軸電纜傳輸被測信號電纜必然存在電感，電感存在就會與探頭輸入電容產生共振。如果共振頻率在示波器模擬帶寬以外不會對波形觀測產生影響；但如果阻抗或電容較大，發生共振時，示波器可能觀測到被測信號本來沒有的紋波或震鈴。
1～2cm長度電纜的電感值約為10nH，上文介紹三種探頭的共振頻率如表1顯示。
此外，除了探頭輸入端中存在的電感，還需要注意探頭地線中電感所產生的影響。
那么，使用探頭測量時，如何抑制共振的產生呢？
首先在使用示波器確認輸入信號時，建議所使用探頭輸入端和地端盡量短。如果對被測信號再現性有更高的要求，則需要將探頭輸入端與被測端直接相連，使用較粗的銅線與探頭地端相連以盡量減小地線電感的影響，如果探頭輸入端無論如何無法直接連接到被測端時，則在探頭輸入前端附加50～100Ω的電阻，以防止共振產生。在該情況下，因附加電阻，測量系統模擬帶寬將被降低，以抑制因共振而產生的震鈴，使被測波形接近原始波形。
電纜特性
一般在測量時，通過同軸電纜將被測信號傳輸到示波器，電纜因具有柔軟性和高頻特性目前被廣泛選用。但是，在實際使用過程中，即使電纜存在很小的彎曲，該彎曲部分導電體也會被損壞，使其電感值發生變化，影響電纜的傳導特性/反射特性，以至于不能正確觀測波形的高頻成分，這是影響高頻波形觀測的一個因素，所以在使用同軸電纜觀測時，盡量使電纜不要彎曲，才可以最大限度再現被測波形。
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