详解示波器探头

4.3 畸变(Aberration)
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“减幅振荡”。没有规定极限畸变的高频探头可以提供使人完全误解的测量。存在畸变可以说明严重失真的带宽和滚降(roll-off)特性。
4.4 衰减系数
当正确接上终端时，探头应该有恒定的衰减系数。衰减系数是输出信号对输入信号的比值。某些探头的可能会有可以选择的衰减系数，典型的衰减系数是1×、10×和100×。1×档和10×档电路如图4所示，这两部分电路均由电阻电容组成。

4.5 探头衰减补偿
所谓探头衰减补偿是指当示波器和探头配合使用时，调整探头中的可变电容，以使频率达到相对稳定。探头补偿意味着在探头末端和示波器的输入端之间频率补偿。探头末端与示波器的输入端的关系如图5所示，调节C2可得如下关系：

图5 电容探头补偿电路

示波器的输入电阻虽然只有1MΩ，但是与其并联的输入电容却根据机种的不同而有差异。即使是同一机种，每个通道上的输入电容也不相同，所以，改变了示波器和探头的组合，相应的也要改变探头的相位补偿。
探头校准的方法如下：将探头与探头校准的方波信号输出端子相连，探头的特性为最佳状态时，如图6中(a)所示，若出现(b)，(c)所示的情况，请用改锥调整探头上的频率补偿微调电容器进行校准。

图6 探头校准示意图
4.6 额定最大电压
额定最大电压由DC + peak AC决定，即输出电压的直流值和交流峰值的总和不能超过示波器的额定电压最大值，如果超过这个额定最大电压，会损坏探头。
4.7 电压额定值随频率的下降
电压探头在低频时的最大输入电压有明确的规定，随着频率的增加输入电压会相应降低。对于高频探头必须注意输入电压随频率的变化，在频率高于1MHz时允许的输入电压随频率的增加而急剧下降。
5 最佳示波器探头的选择
探头的特性和特点中最重要的参数就是带宽和输入阻抗，它们既要与示波器的带宽和输入阻抗匹配，又要将对被测电路的影响减到最小。因此选择探头时要综合考虑。
5.1 带宽和上升时间
探头的带宽或上升时间要等于或优于示波器的带宽。如果观察纯正弦信号，探头带宽等于被测信号频率的最高值即可；如观察非正弦信号，探头带宽应能容纳被测信号的基波和最重要谐波分量。为精确地测量脉冲的上升时间和下降时间，系统的上升时间（示波器和探头之和）应该比要测量的最快的上升时间快3-5倍。
5.2 阻抗匹配
探头的输入阻抗要与所用示波器的输入阻抗匹配，另外对被测电路的负载作用最少。对于低输入阻抗的示波器，应选择有源探头或50Ω输入阻抗的探头；对于高输入阻抗的示波器，应选择×10的探头。例如示波器的输入阻抗是1MΩ/10pF,探头输入阻抗最好是10MΩ/1pF，这样的探头既有10倍的信号衰减，对被测信号的负载很轻，又能与示波器输入阻抗匹配。
5.3 负载作用
减轻探头对被测电路的负载作用。除了选择输入阻抗高的探头外，还有记住探头输入阻抗随频率成反比例下降。
5.4 时间延迟的影响
每种探头对被测信号的延迟时间存在差异，在进行差分测量以及时间（或相位）一致性测量时，最好使用2个型号相同和电缆长度相等的探头。
5.5 良好的接地
探头的额定频率特性是在同轴系统内测得的结果。在实际电路应用时，往往探头处于非同轴匹配的系统内，因此探头的接地引线要尽量减短，把串联电感减到最小。如发现高阻探头接地不良，就要考虑使用低阻同轴探头或者与探头匹配的适配器、连接器和夹具。
6 示波器探头使用注意事项
将待测信号正确接入示波器是测试工作的第一步，这里我们主要介绍探头与被测电路连接时的注意事项。
1. 探头与被测电路连接时，探头的接地端务必与被测电路的地线相联。否则在悬浮状态下，示波器与其他设备或大地间的电位差可能导致触电或损坏示波器、探头或其他设备。
2. 测量建立时间短的脉冲信号和高频信号时，请尽量将探头的接地导线与被测点的位置邻近。接地导线过长，可能会引起振铃或过冲等波形失真。如图7所示。

图7 探头接地方法示意图

3. 为避免接地导线影响对高频信号的测试，建议使用探头的专用接地附件。如图8所示为典型通用电压探头所带有的标准测试附件。

图8 带有标准配件的典型通用电压探头（图片来源于泰克《探头ABC》）
4. 为避免测量误差，请务必在测量前对探头进行检验和校准，探头衰减补偿的校准原理和方法我们在前面已经介绍过，这里不再赘述。
5. 对于高压测试，要使用专用高压探头，分清楚正负极后，确认连接无误才能通电开始测量。
6. 对于两个测试点都不处于接地电位时，要进行“浮动”测量，也称差分测量，要使用专业的差分探头。
7 总结
探头对示波器测量至关重要，所以要求探头对探测的电路影响必须达到最小，并希望对测量值保持足够的信号保真度。如果探头以任何方式改变信号或改变电路运行方式，示波器会看到实际信号的失真结果，进而可能导致错误的测量结果，或者误导性的测量结果。通过以上介绍可知，探头的选购和正确使用有许多值得注意的地方，只有与示波器和被测电路都匹配良好的探头才是您该选择和使用的探头。
参考文献
《交流和直流电流测量》，作者：周家明，北京海洋仪器.
《阻抗对测量的影响》，作者：魏乾、韩洁，国外电子测量技术.
《如何用好示波器探头》，无线电.
《电子示波器探头》，电子仪器信息.
日立示波器使用说明.
《探头ABC》，泰克公司出版.