示波器探頭(2)

我們先來觀察一下用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測試1ns上升時間階躍信號的影響。使用脈沖發生器產生一個1ns的階躍信號，通過測試夾具后，使用SMA電纜直接連接到一個1.5GHz帶寬的示波器上，這樣示波器上會顯示一個波形（如下圖中的蘭色信號），把這個波形存為參考波形。然后使用探頭點測測試夾具去探測被測信號，通過SMA直連的波形因為受探頭負載的影響而變成黃色的波形，探頭通道顯示的是綠色的波形。然后分別測試上升時間，可以看出無源探頭和有源探頭對高速信號的影響。

具體測試結果如下：
使用1165A 600MHz無源探頭，使用鱷魚嘴接地線：受探頭負載的影響，上升時間變為：1.9ns；探頭通道顯示的波形存在振鈴，上升時間為：1.85ns;
使用1156A 1.5GHz有源探頭，使用5cm接地線：受探頭負載的影響較小，上升時間仍為：1ns；探頭通道顯示的波形與原始信號一致，上升時間仍為：1ns。
單端有源探頭結構圖如下，使用放大器實現阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高（一般達100Kohm以上），而輸入電容較小（一般小于1pf)，通過探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm輸入阻抗。有源探頭帶寬寬（現在可達30GHz），而負載小，但是價格相對較高（一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10%左右)，動態范圍較小（這個需要注意，因為超過探頭動態范圍的信號，不能正確測試。一般動態范圍5V左右），比較脆弱，使用需小心。

差分探頭結構圖如下，使用差分放大器實現阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高（一般達50Kohm以上），而輸入電容較小（一般小于1pf)，通過差分探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50ohm 輸入阻抗。差分探頭帶寬非常寬（現在可達30GHz），負載非常小，具有較高共模抑制比，但是價格相對較高（一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10% 左右)，動態范圍也較小（這個需要注意，因為超過探頭動態范圍的信號，不能正確測試。一般動態范圍3V左右），比較脆弱，使用需小心。
差分探頭適合測試高速差分信號（測試時不用接地），適合放大器測試，電源測試，適合虛地測試等應用。

電流探頭也是有源探頭，利用霍爾傳感器和感應線圈實現直流和交流電流的測量。電流探頭把電流信號轉換成電壓信號，示波器采集電壓信號，再顯示成電流信號。電流探頭可以測試幾十毫安到幾百安培的電流，使用時需要引出電流線（電流探頭是把導線夾在中間進行測試的，不會影響被測電路）。
電流探頭在測試直流和低頻交流時的工作原理：
當電流鉗閉合，把一通有電流的導體圍在中心時，響應地會出現一個磁場。這些磁場使霍爾傳感器內的電子發生偏轉，在霍爾傳感器的輸出產生一個電動勢。電流探頭根據這個電動勢產生一個反向（補償）電流送至電流探頭的線圈，使電流鉗中的磁場為零，以防止飽和。電流探頭根據反向電流測得實際的電流值。用這個方法，能夠非常線性的測量大電流，包括交直流混合的電流。

電流探頭在測試高頻時的工作原理：
隨著被測電流頻率的增加，霍爾效應逐漸減弱，當測量一個不含直流成分的高頻交流電流時，大部分是通過磁場的強弱直接感應到電流探頭的線圈。此時，探頭就像一個電流變壓器，電流探頭直接測量的是感應電流，而不是補償電流，功放的輸出為線圈提供一個低阻抗的接地回路。

電流探頭在交叉區域時的工作原理：
當電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區域時，部分測量是通過霍爾傳感器實現的，另一部分是通過線圈實現的。