示波器传感器 一文了解示波器探头

一文了解示波器探头

示波器因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围，使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路，如下图：

探头的选择和使用需要考虑如下两个方面：

其一：因为探头有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路；

其二：探头是整个示波器测量系统的一部分，会直接影响仪器的信号保真度和测试结果

当探头探测到被测电路后，探头成为了被测电路的一部分。探头的负载效应包括下面3部分：

1. 阻性负载效应；

2. 容性负载效应；

3. 感性负载效应。

阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻，对被测信号有分压的作用，影响被测信号的幅度和直流偏置。有时，加上探头时，有故障的电路可能变得正常了。一般推荐探头的电阻R>10倍被测源电阻，以维持小于10%的幅度误差。

容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容，对被测信号有滤波的作用，影响被测信号的上升下降时间，影响传输延迟，影响传输互连通道的带宽。有时，加上探头时，有故障的电路变得正常了，这个电容效应起到了关键的作用。一般推荐使用电容负载尽量小的探头，以减小对被测信号边沿的影响。

感性负载来源于探头地线的电感效应，这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振，从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃，需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃，检查确认的方法是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的地线，一般地线电感=1nH/mm。

示波器探头大的方面可以分为：无源探头和有源探头两大类。无源有源顾名思义就是需不需要给探头供电。

无源探头细分如下：

1. 低阻电阻分压探头；

2. 带补偿的高阻无源探头（最常用的无源探头）；

3. 高压探头 有源探头细分如下：

1. 单端有源探头；

2. 差分探头；

3. 电流探头

最常用的高阻无源探头和有源探头简单对比如下：

低阻电阻分压探头具备较低的电容负载（<1pf)，较高的带宽（>1.5GHz），较低的价格，但是电阻负载非常大，一般只有500ohm或1Kohm，所以只适合测试低源阻抗的电路，或只关注时间参数测试的电路。

带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头，一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻（一般1Mohm以上），可调的补偿电容，以匹配示波器的输入，具备较高的动态范围，可以测试较大幅度的信号（几十幅以上），价格也较低。但是不知之处是输入电容过大（一般10pf以上），带宽较低（一般500MHz以内）。

带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容，当接上示波器时，一般需要调整电容值（需要使用探头自带的小螺丝刀来调整，调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置），以与示波器输入电容匹配，以消除低频或高频增益。下图的左边是存在高频或低频增益，调整后的补偿信号显示波形如下图的右边所示。

高压探头是带补偿的无源探头的基础上，增大输入电阻，使得衰减加大（如：100:1或1000:1等)。因为需要使用耐高压的元器件，所以高压探头一般物理尺寸较大。

三、有源探头

我们先来观察一下用600MHz无源探头和1.5GHz有源探头测试1ns上升时间阶跃信号的影响。使用脉冲发生器产生一个1ns的阶跃信号，通过测试夹具后，使用SMA电缆直接连接到一个1.5GHz带宽的示波器上，这样示波器上会显示一个波形（如下图中的兰色信号），把这个波形存为参考波形。然后使用探头点测测试夹具去探测被测信号，通过SMA直连的波形因为受探头负载的影响而变成黄色的波形，探头通道显示的是绿色的波形。然后分别测试上升时间，可以看出无源探头和有源探头对高速信号的影响。

具体测试结果如下： 使用1165A 600MHz无源探头，使用鳄鱼嘴接地线：受探头负载的影响，上升时间变为：1.9ns；探头通道显示的波形存在振铃，上升时间为：1.85ns; 使用1156A 1.5GHz有源探头，使用5cm接地线：受探头负载的影响较小，上升时间仍为：1ns；探头通道显示的波形与原始信号一致，上升时间仍为：1ns。 单端有源探头结构图如下，使用放大器实现阻抗变换的目的。单端有源探头的输入阻抗较高（一般达100Kohm以上），而输入电容较小（一般小于1pf)，通过探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用50ohm输入阻抗。有源探头带宽宽（现在可达30GHz），而负载小，但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右)，动态范围较小（这个需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试。一般动态范围5V左右），比较脆弱，使用需小心。

差分探头结构图如下，使用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分探头的输入阻抗较高（一般达50Kohm以上），而输入电容较小（一般小于1pf)，通过差分探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用50ohm 输入阻抗。差分探头带宽非常宽（现在可达30GHz），负载非常小，具有较高共模抑制比，但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10% 左右)，动态范围也较小（这个需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试。一般动态范围3V左右），比较脆弱，使用需小心。 差分探头适合测试高速差分信号（测试时不用接地），适合放大器测试，电源测试，适合虚地测试等应用。

电流探头也是有源探头，利用霍尔传感器和感应线圈实现直流和交流电流的测量。电流探头把电流信号转换成电压信号，示波器采集电压信号，再显示成电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流，使用时需要引出电流线（电流探头是把导线夹在中间进行测试的，不会影响被测电路）。

电流探头在测试直流和低频交流时的工作原理： 当电流钳闭合，把一通有电流的导体围在中心时，响应地会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电动势。电流探头根据这个电动势产生一个反向（补偿）电流送至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，以防止饱和。电流探头根据反向电流测得实际的电流值。用这个方法，能够非常线性的测量大电流，包括交直流混合的电流。

电流探头在测试高频时的工作原理： 随着被测电流频率的增加，霍尔效应逐渐减弱，当测量一个不含直流成分的高频交流电流时，大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。此时，探头就像一个电流变压器，电流探头直接测量的是感应电流，而不是补偿电流，功放的输出为线圈提供一个低阻抗的接地回路。

电流探头在交叉区域时的工作原理： 当电流探头工作在20KHz的高低频交叉区域时，部分测量是通过霍尔传感器实现的，另一部分是通过线圈实现的。

四、有源探头附件

现代的高带宽有源探头都采用分离式的设计方法，即：探头放大器与探头附件部分分开。这样设计的好处是：

1、支持更多的探头附件，使得探测更加的灵活；

2、保护投资，最贵的是探头放大器（一个探头放大器可以支持多种探测方式，以前需要几个探头来实现）；同时探头附件保护探头放大器（探头附件即使损坏，价格也相对便宜）；

3、这种设计方式容易实现高带宽。 这些探头附件，主要包括以下几种：

1、点测探头附件（包括：单端点测和差分点测）；

2、焊接探头附件（包括：单端焊接和差分焊接，分离式的ZIF焊接）；

3、插孔探头附件；

4、差分SMA探头附件（示波器一般直接支持SMA连接，但是如果被测信号需要上拉如HDMI，则必须使用SMA探头附件）。

探头附件的电路结构如下图所示：

1、在探头附件尖端部分会有一对阻尼电阻（一般82ohm），这对阻尼电阻的作用是消除探头附件尖端部分的电感的谐振影响；

2、探头尖端部分的后面是25Kohm的电阻，这个电阻决定了探头的输入阻抗（直流输入阻抗即电阻：单端25Kohm，差分50Kohm），这个电阻使得被测信号传输到探头放大器部分的功率是非常小的，不至于对被测信号有较大影响。

3、25Kohm的电阻后面是同轴传输线部分，这个传输线负责把小信号传输到放大器。这个传输线的长度可以很长，也可以很短，中间可以加衰减器，也可以加耦合电容。

4、同轴传输线连接到放大器，放大器是50ohm匹配的（差分100ohm匹配）。

有源探头为了保持探头的精确度，需要工作在恒温状态，所以探头放大器不能放置到高低温箱里进行高低温环境下被测电路板的测试。从探头附件结构中可见中间的 50ohm传输线的长短不影响探测，所以可以用很长的同轴电缆或扩展同轴电缆，让这个同轴电缆伸进高低温箱里进行高低温换进下被测电路板的测试。如下图是 N5450A扩展电缆，使用N5381A焊接探头附件，可以工作在-55°到150°温度范围。

使用N5450A扩展电缆和N5381A探头附件，使用1169A 12GHz探头放大器，在-55°和150°环境下的频响曲线如下图所示，可见能够满足高速信号测试的要求。

五、探头及附件准确度验证

下图是一个例子：被测信号是一个频率456MHz，边沿时间约65ps的时钟信号，分别使用不同类型的探头和探头附件的测试结果。 A图是使用12GHz的1169A差分探头和N5381A 12GHz焊接探头附件的测试结果，几乎完全复现被测信号；

B图是使用500MHz的无源探头的测试结果，显示的信号完全失真；

C图是使用12GHz的1169A差分探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号出现很大的过冲；

D图是使用4GHz的1158A单端探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号几乎是正弦波，失真较大。

从图中可见探头和探头附件对测试精确度的影响是非常大的，是我们测试高速信号应该重点注意的内容之一。那我们应该如何验证探头和探头附件呢？ 验证探头和探头附件需要使用一台脉冲码型发生器（如:81134A，3.35GHz速率，60ps边沿的脉冲码型发生器），如果示波器自带高速信号输出功能，也可以使用示波器的这个辅助输出口代替脉冲码型发生器（如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以发一个高速时钟：456MHz频率，约65ps边沿）。另外，需要同轴电缆和测试夹具（Infiniium示波器配置的探头校准夹具可以作为探头和探头附件验证测试夹具）。测试夹具的外表是地(Ground)，里面走线是信号(Signal)，如下图所示。使用时，通过同轴电缆把一端接到脉冲码型发生器或示波器的辅助输出AUX OUT端口，另外一端通过适配器连接到示波器的通道1上。

然后把被验证的探头连接到通道2上，探头通过探头附件可以接触到测试夹具的信号和地（如果是差分探头，那么把+端连接到测试夹具的信号线，把-端连接到测试夹具的地上）。

1、如果探头不接触信号线，则屏幕上会出现一个原始波形，存为参考波形；

2、当用探头探测信号线时，通道1的波形会发生变化，这个变化后的波形就是被探头和探头附件影响后的被测信号；

3、这时，连接探头的通道2会出现一个波形，这个波形是探头测试到的波形；

4、通过对比参考波形，通道1的波形，和连接探头的通道2的波形，就可以直观的看出或通过测试参数读出三者的差别，可以验证探头和探头附件的影响。

下图是实际验证的一个例子，图A把示波器的AUX OUT通过同轴电缆连接到测试夹具，测试夹具的另一端通过SMA-PBNC适配器连接到示波器的一个通道上（此例连接到通道3），把探头连接到通道1上，此时调整屏幕上的波形，使得出现一个边沿阶跃波形，如图C所示，并把此波形存为参考波形。如图B把被验证探头和附件点测到测试夹具上，如图D所示，屏幕上出现3个波形，兰色的是参考波形，绿色的是受探头影响后的被测波形，黄色的是探头显示的波形，通过测试上升时间参数，过冲参数等，可确认探头和探头附件的性能。

文章来源：安捷伦公司

示波器探头用了那么久，你真的了解它吗？

本文按字母顺序列明了各个指标；并不是任何探头都适用所有这些指标。例如，插入阻抗指标仅适用于电流探头；其它指标 ( 如带宽 ) 则是通用指标，适用于所有探头。希望本文可以帮助您更好地了解示波器探头。

1、畸变(通用指标)

畸变是输入信号预计响应或理想响应的任何幅度偏差。在实践中，在快速波形转换之间通常会立即发生畸变，其表现为所谓的“振铃”。

畸变作为最终脉冲响应电平 ± 百分比进行测量或指定。这一指标可能还包括畸变的时间窗口，例如：

在前30ns内，畸变不应超过峰峰值的±3% 或5%。在脉冲测量上看到畸变过多时，在认为畸变是探头故障来源时，一定要考虑所有可能的来源。例如，畸变实际上是信号源的一部分吗？还是探头接地技术导致的？

观察到的畸变最常见的来源之一，是疏于检查及正确调节电压探头的补偿功能。严重过度补偿的探头会在脉冲边沿之后立即导致明显的峰值。

2、精度(通用指标)

对电压传感探头，精度一般是指探头对DC信号的衰减。探头精度的计算和测量一般应包括示波器的输入电阻。因此，只有在与拥有假设输入电阻的示波器一起使用探头时，探头精度指标才是正确的或适用的。精度指标实例如下：

在3%范围内10X ( 对1兆欧±2%的示波器输入) 对电流传感探头，精度指标是指电流到电压转换的精度。这取决于电流变压器线圈比及端接电阻的值和精度。使用专用放大器的电流探头的输出在安培/格中直接校准，精度指标用电流/格设定值百分比的衰减器精度指定。

3、安培秒乘积(电流探头)

对电流探头，安培秒乘积规定了电流变压器磁芯的能量处理功能。如果平均电流和脉宽的乘积超过额定安培秒乘积，磁芯会饱和。这种磁芯饱和会导致在饱和过程中发生的波形部分被削掉或被抑制。如果没有超过安培秒乘积，那么探头的信号电压输出将呈线性，并保证测量精度。

4、衰减系数(通用指标)

所有探头都有一个衰减系数，某些探头可能会有可以选择的衰减系数。典型的衰减系数是1X、10X和100X。衰减系数是探头使信号幅度下降的程度。1X探头不会降低或衰减信号，而10X探头则会把信号降低到探头尖端幅度的 1/10。探头衰减系数允许扩展示波器的测量范围。例如，100X探头允许测量幅度高出100倍的信号。

1X、10X、100X 这些名称源于以前示波器不会自动传感探头衰减及相应地调节标度系数。例如，10X名称提醒您所有幅度测量结果都需要乘以10。当前示波器上的读数系统自动传感探头衰减系数，并相应地调节标度系数读数。电压探头衰减系数使用电阻电压分路器技术实现。结果，探头的衰减系数越高，输入电阻一般也越高。另外，分路器效应会分隔探头电容，衰减系数越高，有效表示的探头头部电容越低。

5、带宽(通用指标)

所有探头都有带宽。10MHz探头有10MHz的带宽，100MHz探头有100MHz的带宽。探头的带宽是指探头响应导致输出幅度下降到70.7%(-3dB)的频率。

还应指出，某些探头还有低频带宽限制。例如，这适用于AC电流探头。由于其设计，AC电流探头不能传送DC或低频信号，因此，必须使用两个值指定其带宽，一个值用于低频，一个值用于高频。

对示波器测量，真正担心的问题是示波器和探头的综合总带宽。这种系统性能最终决定着测量功能。遗憾的是，把探头连接到示波器上会导致带宽性能出现一定程度的下降。例如，结合使用100MHz通用探头和100MHz示波器时，会导致测量系统的带宽性能略低于100MHz。为避免整体系统带宽性能不确定性，泰克指定了无源电压探头，以在与指定的示波器型号使用时在探头尖端上提供规定的测量系统带宽。

在选择示波器和示波器探头时，要认识到带宽在许多方面影响着测量精度。

在幅度测量中，随着正弦波频率接近带宽极限，正弦波的幅度会变得日益衰减。在带宽极限上，正弦波的幅度会作为实际幅度的70.7% 进行测量。因此，为实现最大的幅度测量精度，必需选择带宽比计划测量的最高频率波形高几倍的示波器和探头。

这同样适用于测量波形上升时间和下降时间。波形转换 ( 如脉冲和方波边沿 ) 是由高频成分组成的。带宽极限使这些高频成分发生衰减，导致显示的转换慢于实际转换速度。为精确地测量上升时间和下降时间，使用的测量系统必需使用拥有充足的带宽，可以保持构成波形上升时间和下降时间的高频率。最常见的情况下，这使用测量系统的上升时间指明，上升时间一般应该比要测量的上升时间快 4-5 倍。

6、电容(通用指标)

一般来说，探头电容指标是指探头尖端上的电容。这是探头在被测电路测试点或被测器件上的电容。探头尖端电容非常重要，因为它影响着测量脉冲的方式。低头部电容最大限度地降低了进行上升时间测量的误差。此外，如果脉冲的时长低于探头 RC 时间常数的五倍，会影响脉冲的幅度。

探头还对示波器输入表示电容，这只探头电容应与示波器电容相匹配。对10X和100X探头，这一电容称为补偿范围，它不同于头部电容。对探头匹配，示波器的输入电容应位于探头的补偿范围内。

7、CMRR (差分探头)

共模抑制比 (CMRR) 是指差分探头在差分测量中抑制两个测试点共用的任何信号的能力。这是差分探头和放大器的一个关键指标，其公式为：

CMRR = |Ad/Ac|

其中：Ad = 差分信号的电压增益，Ac = 共模信号的电压增益。

在理想情况下，Ad应该很大，而Ac则应该等于0，因此CMRR无穷大。在实践中，10,000:1 的 CMRR已经被看作非常好了。这意味着将抑制5V的共模输入信号，使其在输出上显示为0.5毫伏。这种抑制对存在噪声时测量差分信号非常重要。

由于CMRR随着频率提高而下降，因此指定CMRR的频率与CMRR值一样重要。在高频上CMRR高的差分探头要好于在低频上相同CMRR的差分探头。

8、衰退时间常数(电流探头)

衰退时间常数指标表明了电流探头支持脉冲的能力。这一时间常数是次级电感(探头线圈)除以端接电阻。衰退时间常数有时称为探头 L/R 比。L/R 比越大，在幅度没有明显衰退或下落的情况下可以表示的电流脉冲越长。L/R 比越小，在脉冲实际完成前，将看到长时间的脉冲衰落到零。

9、直流(电流探头)

直流降低了电流探头线圈磁芯的导磁率。导磁率下降导致线圈电感和 L/R 时间常数下降，进而会降低低频的耦合性能，及导致低频电流测量响应丢失。某些AC 电流探头提供了电流抵偿选项，这些选项可以清空DC的效应。

10、频率电流额定值下降(电流探头)

电流探头指标应包括幅度与频率额定值下降关系曲线，这一曲线把磁芯饱和与提高的频率关联起来。频率提高对磁芯饱和的影响在于，当波形频率或幅度提高时，平均电流为零安培的波形幅度峰值会被削掉。

11、插入阻抗(电流探头)

插入阻抗是从电流探头的线圈(二级)转换到被测的携带电流的导线 (the primary) 中的阻抗。一般来说，电流探头反射的阻抗值可以位于几毫欧范围内，对阻抗为 25 欧姆及以上的电路影响不大。

12、输入电容 (通用指标)

探头尖端上测量的探头电容。

13、输入电阻(通用指标)

探头的输入电阻是在零赫兹 (DC) 时探头置于测试点上的阻抗。

14、最大额定输入电流(电流探头)

最大额定输入电流探头可以接受、同时仍能实现规定性能的总电流 (DC 加峰值 AC)。在 AC 电流测量中，必须根据频率降低峰到峰额定值，以计算最大总输入电流。

15、最大额定峰值脉冲电流(电流探头)

不应超过这一额定值，它考虑了磁芯饱和及可能损坏设备的次级电压积累。最大额定峰值脉冲电流通常规定为安培秒乘积。

16、最大额定电压(通用指标)

应避免接近探头最大额定值的电压。最大额定电压取决于探头机身或测量点上探头器件的额定击穿电压。

17、传播延迟(通用指标)

每只探头都提供随信号频率变化的部分数量很小的时延或相位位移。传播延迟是探头器件及信号通过这些器件从探头尖端传送到示波器连接器所需时间的函数。

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