如何科学合理选择探头

　　一、探头的主要指标
　　1.带宽／上升时间
　　带宽：用户对仪器/探头系统理想的-3dB衰减zui高频率。大多数探头，带宽与上升时间的乘积接近0.35（0.35=BW.T 上升）。通常情况下，为了地定义这些参数，源阻抗规定终端接50W 的系统，带宽由脉冲上升时间定义来保证zui小失真，对探头输入电容从10%至90%电平充电需要的时间Tr=2.2×R_源×C_探头
　　2.负载效应
　　探头的负载效应主要是由其输入电阻和电容反映。在低频（≤1MHz）时，探头的负载主要是阻抗作用；在高频时（≥10MHz），探头的负载主要是容抗作用图1表明探头频率与阻抗变化曲线

图1 有源和无源探头输入阻抗

图2 探头补偿

　　3. 衰减比
　　衰减比是输出信号对输入信号的比值，当正确接上终端时，探头应有恒定的衰减比，并在整个频率带范围内保持不变。
　　4.补偿范围
　　探头的输入电容决定了探头的高频特性和在额定衰减比下输入电容的补偿范围，调节输入电容使探头具有平滑下降的频率特性和规定的衰减比，由于不同的仪器输入电容有一定的差异，因此探头的输入电容具有一定的调节范围。详见图2探头补偿问题（C₁与R₂C₂/R₁的关系）
　　5.电压
　　探头测试zui大电压（DC+峰值AC）是探头的上限电压范围；同时对高频探头，电压的额定值也会随频率的增加而降低。
　　6.探头长度
　　保持探头电缆长度尽可能短。因为过长的长度降低带宽和增加探头的负载电容；较长的探头电缆也有较大的传输延迟（无源探头一般为每米4ns）。
　　7.探头测试附件
　　各种各样的适配器可以将探头用机械的方法连接到被测电路上，探头测试一般导通很小的电流，在较低的电流电压下有高电阻，如果采用全合金镀层使电流传导问题减至zui小。
　　8.电流
　　分二种指标：连续zui小电流、脉冲zui大电流。在脉冲zui大电流范围内，可以无失真测量由安培秒（A/S）乘积限定的zui大值。

　　二、探头的种类
　　探头一般按用途进行分类，种类繁多，大致如下

　　探头一般zui常见结构由以下部分组成：探针、橡胶（或其它材料）腔体、电路（衰减或其它）屏蔽线缆、BNC接头等。
　　1.无源电压探头
　　无源电压探头是仪器常用的探头，其使用上方便，稳定，且价格也不昂贵。典型的10:1探头电路如下：

图3 无源探头连接测试图

　　无源电压探头在较大的动态范围（±400V）能保证测试仪器的精度，在低频率段（≤7MHz）高阻抗输入，随着频率的增加，利用高输入电容来降低阻抗电平。其结构前端一般有可拆卸的通用探钩和卡入探头体内短而软的鲤鱼夹接地线，方便脱手检测和接地对高频的干扰。无源电压探头有以下几种形式：普通无源电压探头、无源高压探头、小几何尺寸探头、高性能组合探头、低容性探头等。
　　普通无源电压探头适合高、中、低频信号通用测量。无源缓冲探头技术上的革新产品，在宽的动态范围内适用通用测量；无源高压探头、一般具有较大的外形尺寸、坚固的结构、较大的衰减倍数，适合普通高压测试：PMT、马达驱动、高压开关、磁控管，现代发射系统及其它高压测试；小几何尺寸探头是适应现代小几何尺寸IC表面封装技术的需要，通过各种各样的适配器，减少了对TTL、ECL、CMOS电容性加载；高性能组合探头是为了节省探头寿命期内修理和维护费用而设计的，它的探针、电缆和连接件不需要焊接即可方便地装配在一起；低容性探头具有低容性加载，满足微波高频需要。 
　　2、有源电压探头
　　有源电压探头包括有源器件（场效应晶体管或其它有源器件），而不包括无源器件，它比无源电压探头具有更高的性能；低输入电容、高带宽、高输入电阻、直流偏置能力。见下图4的比较

1.    

上面的波形图显示50Ω和1kΩ的阻抗测试点，探头用1X无源探头曲线T1（50Ω）曲线T2（1kΩ）;
10X有源FET探头曲线T3（50Ω）曲线T4（1kΩ）;

上面波形显示接地电感的影响，上面3根曲线显示当无源探头的接地线长度从0.5英寸（zui上面一根曲线）增加到6英寸，12英寸（zui下面一根曲线）时的波形变化。下面的3根曲线显示了不管接地线的长度有何变化，而有源探头波形保持相对的不变，这里用了和无源探头相同的接地线长度。

　　应用环境：
　　1.源阻抗 >100Ω或低功率线路，允许zui快上升时间的采集和幅度测量，信号损耗少；
　　2.小信号线路分析：单位增益（1X）获得*灵敏度而不丢失带宽，保持小信号幅度；
　　3.整体线路（含调谐电路）分析能力；高输入阻抗、低输入容抗提供很好的上升时间和传输延时测量，减小附加到线路的阻抗，降低对线路的干扰；
　　4.通用回路特性和故障诊断的信号完整性，适用阻抗未知或不容易计算情况；低输入电容具有更高的环路频率，较长的接地线，适用回路接地端较远的情况；
　　5.高直流偏置能力：方便您测量直流成分的电压。
　　3、差分探头
　　差分探头具有高的共模抑制比，安全地测量浮置于仪器地的电路。适用于包括高压电路在内的各种应用：高压电路、马达速度控制、电源设计和大功率电力转换器。
　　*：在高压测试时，如果测试电路的地端相对于仪器的地线具有较高的悬浮电压或者多通道测试时每个测试点的地端之间产生悬浮电压，对使用者和测试仪器上有很大的危险，在这种情况下差分探头*。比较成熟的差分悬浮测试系统一般由以下方案组成：①.电压隔离方案：利用隔离器，配上相应的无源探头，安全进行浮地测量；②.差分高压探头方案；③.低振幅浮地电压方案：利用差分放大器，配上相应的探头，产生高增益和*的共模抑制比，可测量到5μV的信号；④.综合测试方案由差分探头、放大器与电源组成一个自成体系的差分放大系统。
　　4、电流探头
　　电流探头即把被测电路的电流信号通过传感器（不断开电路）转变为电压信号输送到测试仪器。一般有两种类型：传统的“互感器”AC探头和“霍尔效应式”的DC探头。电流探头不能“反向逆转”所以它的负载能力比其它探头更小。见下图5
　　为了的测量电流，我们可以通过电流放大器、电源、机箱和相应的电流探头组成一个zui精密且灵活满足各种需要的电流测量方案。

　　5、逻辑探头
　　逻辑探头是无源电压探头的一种，它适合于多通道同步测试需要，见图6

图6 逻辑探头的几种结构

　　逻辑探头一般具有16个通道，并且每个通道具有良好的接地，其复杂主要在连接头和各种适配器上，连接头一般有：“飞机”型、“苍蝇”型也称“欧翼”型“J”型两种，适合小间距IC集成电路的测试。

　　三、合理选择探头
　　探头虽然有很多种类，我们可从功能出发选择所需要的探头种类。探头的种类确定后，选择相应性能的探头，主要考虑探头的加载影响和信号逼真度的传递。同时也应注意物理参数（例如尺寸大小、电缆长度和与被测装置互相联接的适配器）对测量成功的重要性。
　　1、阻抗的匹配
　　选择与仪器输入电阻和输入电容相匹配的探头，例50Ω示波器输入需要50Ω的探头或有源探头。这样保证对被测电路的负载效应zui小。
　　2、带宽与上升时间的匹配
　　选择与测试仪器和上升时间相匹配的探头，例100M示波器需要100MHz以上的探头。
　　3、时间延时的影响
　　在进行相位和时间一致性测量或差分测量应用中，选择型号相同和电缆长度相等的探头，避免不同的探头对信号延时时间的不同。
　　4、接地影响
　　选择接地良好和短的接地线的探头，探头的频率特性是在同轴系统内定量所得。而在实际应用中，探头往往处于非同轴匹配的系统中，把串联电感降至zui小；在高压测试中，良好的接地尤为重要，否则会产生放电或打火现象，严重会损坏仪器。
　　5、探头的负载影响
　　选择尽可能低输入电容和高输入电阻的探头，便于探头*的信号保真。探头的输入阻抗变化与频率成反比。例：50MHz带宽，直流电压输入时阻抗约为1MΩ的探头，在50MHz阻抗输入时阻抗约为1.5MΩ。这样虽然探头的输入阻抗选择尽可能的高，但是它还是对被测线路有一定的影响；因此在测试中尽量选择低阻抗测试点，以减小探头负载影响。通常阴极、发射极和源极较好于阳极、集电极或漏极。总之了解探头加载对被测电路的影响，可以避免错误探测，减少测量次数，从而得到更准确、重复性好的测量结果。
　　6、探头的兼容性和其它功能
　　选择兼容性能好和具有其它特殊功能的探头，降低使用成本和灵活方便，例如：带有衰减倍数读出功能的探头，在安装有读出功能的示波器上可自动标定刻度；装有接地选择功能的探头，可快速寻找波形踪迹。

　　四、更好的使用探头
探头看起来简单，往往不受人产重视，实质上如果操作不当，会严重影响使用结果，在使用中我们必须注意以下几个方面：
　　1、探头补偿
　　探头补偿即在探头末端和测试仪器输入端之间频率补偿，当探头*次连接到仪器上时，我们一般用低频方波（通常为1KHz到10KHz）来补偿以获得同样的时间常数。探头末端与仪器的输入端的关系如图7所示，调节C2可得如下关系：
　　R₁C₁=R₂（C₂+C₃）=*信号传送，在探头补偿中，不适当的补偿将导致补偿过足、欠压等现象（见图2），出现衰减或不正确的信号振幅，范围可为几十KHz
　　2、探头接触良好
　　任何导体与其它导体接触时，都会产生接触电阻和杂散干扰，测量时保证探头各个部分以及导体与被测电路接触稳定、良好。
　　3、接地
　　一定要确认探头接地的方法、当信号频率超过10MHz，幅值就会随接地的不同而变化，当检查一个具有高速上升时间的电路，如ECL电路，就需要用影响zui短的接地线接地（例如接地弹簧）
　　4、探头附件
　　选择不同的附件与探头相配套，满足各种测试需要，例如小贴片电阻，电容的测试。

图7 探头补偿电路