示波器探頭基礎系列之二《探頭的共有特性概述》

首先是闡述所有類型探頭共有的一些特性。
探頭屏蔽
工程師賦予示波器探頭的一個重要使命就是確保只有希望觀測的信號才能通過它顯示在示波器屏幕上，如果我們僅僅使用一根導線來代替探頭，那它的作用就好象是一根天線，可以從無線廣播，移動電話、電機、50或60Hz的電源的交流聲甚至當地業余無線電愛好者那里接收到很多不希望的干擾信號，這些噪聲甚至還能反向注入到被測電路中使信號發生畸變，所以我們首先需要的是能夠提供屏蔽功能的電纜，良好設計的示波器探頭的屏蔽電纜通過探頭尖端的接地線和被測電路連接，從而保證了很好的噪聲抑制性能。
探頭帶寬
大家都了解示波器通道帶寬的定義，輸入正弦波信號幅度被降低到-3dB(0.707倍)時對應的頻率即對應示波器模擬帶寬這個指標，決定這個指標的是前端放大器件的性能。同樣探頭也具有有限的模擬帶寬。如果把示波器作為一個系統來考察，其總體帶寬由主機帶寬和探頭帶寬共同決定，更專業的數學公式表明了這種關聯性：

圖1探頭帶寬相關公式
以上公式中，Tr(display)表示實際測量到的信號上升時間，等于示波器上升時間、探頭上升時間和源信號上升時間的正交和。而系統的上升時間與帶寬的乘積為一常數，對系統函數為1階的模型而言，該常數經驗值為0.35,對于更高階的模型該常數介于0.35 ~ 0.5之間。我們可以推導出這四者帶寬之間的關系。從以上公式我們還可以推導出：如果我們使用一臺100MHz的示波器和一個100MHz的探頭，那么它們組成的系統帶寬就小于100MHz，內在的因素是因為探頭的電容和示波器的輸入電容相加，更大的電容導致更小的系統帶寬，加大了顯示在示波器屏幕上信號的上升時間tr。
　　繼續討論：tr(ns)=350/BW(MHz)
　　如果示波器和探頭各自均為100MHz帶寬，其上升時間均為tr=3.5ns。則有效系統上升時間就由下式給出：
　　trsystem=sqr(t2rscope+t2rprobe)
　　=sqr(3.52+3.52)ns
　　=sqr(24.5)2ns
　　=4.95ns
　　根據4.95ns的系統上升時間求得，系統帶寬為350/4.95MHz=70.7MHz。
　　從上述的計算可以看出，探頭帶寬比示波器主機帶寬越高，整個系統帶寬就越接近主機帶寬，所以力科公司推薦用戶應配備盡可能高帶寬探頭，以提升整個測試系統帶寬。
示波器探頭負載效應
當我們進行信號測量時，我們常常以為測得的電壓和電路中未連入示波器時是完全一樣的，實際則不然。打個比方，我們用溫度計去度量火焰的溫度，溫度計未靠近時火焰溫度50攝氏度，靠近后溫度計要從火焰中汲取熱量，自身溫度升高而火焰溫度降低為49度，溫度計反映出來的溫度值就為49度，很明顯有1度的測量誤差，這個誤差正是因為引入測量系統后帶來的。
　實際上，每個示波器探頭都有其輸入阻抗，這個阻抗是特性阻抗，不僅是因為電阻造成的，還包含了電容和電感等因素。由于探頭引入的額外負載，所以探頭接入被測電路后，會從信號中汲取能量，實際上就會影響被測電路，最惡劣的后果就是電路本來是正常工作的，引入示波器探頭后卻不正常了，工程師就容易得出與事實相反的結論。因此我們分析測量結果時必須考慮探頭的負載特性以及測試電路的阻抗匹配性。
　　有些示波器探頭里沒有串聯的電阻，這類探頭主要就由一段電纜和一個測試頭構成，因此，在其有用帶寬之內，探頭對信號沒有衰減作用。這類探頭稱為1：1或X1探頭。由于這類探頭在測試點處將其自身的電容（包括電纜的電容）與示波器的輸入阻抗連在了一起，所以這種探頭具有負載效應。見圖2。