测试测量基础4：示波器探头原理（1）

说在开头：关于柏拉图的洞穴

柏拉图哲学的基础是他对知识本质的论述，智者派对我们是否能获得知识持怀疑的观点，他们相信人类的知识以社会习惯和个人感情为基础；而柏拉图完全反对这种观点，他确信：存在着人类理性可以把握的不变的普遍真理。他在《理想国》中举了一个洞穴寓言的栗子，来阐述他的观点（看来爱大神那炉火纯青地思维实验是有渊源的）。

柏拉图说，我们现在想象有些人住在一个巨大的洞穴中，他们从小就被锁链锁住了脖子和腿脚而动弹不得，由于没有办法扭头，所以只能看到前方洞穴里的墙壁。在这些人后面则是另外的一些人，他们扛着东西来回走动：木头、石头以及各种材料做成的动物和人的形象。而在这些走动的人们后面是一团火，最后是洞穴的出口。这些被锁住的人只能看见洞穴尽头的墙壁，既看不见彼此也看不见来回走动的人，所以这些“囚徒们”唯一能看到的就是前面洞壁上的影子，而这些影子是后面人在火前走动时被投射到洞壁上的。洞中的囚徒没有意识到那些影子只是其它东西的影子，当他们看到一个影子并听到从洞壁传来的回声时，就认为声音来自那个影子，因为他们没有意识到其它任何东西的存在。所以这些囚徒所认为的实在，只是洞壁上形成的影子。

柏拉图问道，如果其中有个囚徒被解除了锁链，被强迫站起来转过身去，向前走并看到那团火光，会发生什么事情呢？他被迫看着那些被搬动的物体和它们在洞壁上熟悉的影子，他会发现这些真实的物体还不如影子有意义，此时他无疑会努力逃离释放他的人，想回到能清楚地看见东西的那里去，他确信那些影子比他被迫在火光中看见的物体更清楚。接着囚徒被强拖着走到洞外，阳光刺痛了他的双眼，此时他看不见他所认知的任何真实东西，等过了一段时间适应了洞外世界，他首先认出了一些影子（他在洞穴中看到过的“真实”），然后他看到人们和各种东西在水中的倒影，现在他能够看到线条和色彩这些更精确的细节（代表他在知识上的一个巨大进步），再然后他将看到物体（例如：花）本身。当它抬头看向空中时，他首先发现更容易看到的天体（月亮和星星），最终他将直视太阳而不是它在其它任何东西上的反射。

这次非凡的经历将使得这个囚徒得出结论：是太阳使得事物能够被看见。而且他现在理解了在洞壁上看到的东西（影子）是如何不同于实际存在的事物，以及为什么没有太阳就没有可见的世界。那么他将对他先前的洞穴中的生活作何感想？对那些曾经被认为是那些在洞穴中最为智慧的人，那些将来往影子看的最清楚的人，他现在是否还会认为那些人很牛B么？还会羡慕那些人么？一点也不，他只会觉得这些人可悲又可怜。

如果他重返洞穴所待的地方，他首先会觉得非常不适应，这种情形下任何囚徒在与他进行观察影子比赛中都能赢。其他囚徒们首先会发现这种情况很有趣，奚落他的视力在离开洞穴之前还很好，而回来时视力却坏了。他们得出的结论是：离开洞穴的行为是有害的。

这个寓言暗示我们绝大多数人都居住在洞穴的黑暗之中，我们的思想都是与模糊不清的影子的世界相适应的，而教育的作用就是引导人们离开洞穴进入到光明世界。囚徒不得不把将整个身体转过来以使他的眼睛能看见光明，而我们也必须彻底摆脱这个充满了变化和欲望，使理智变得盲目的似真实幻的世界；所以教育是一种转变：从表象世界到实在世界的彻底转向。通过存在着的两个世界：黑暗的洞穴世界和光明世界，柏拉图抵制了智者派的怀疑论。对柏拉图来说，知识不仅是可能的，而且也是不可以错的（因为它以最实在的东西为基础）。

柏拉图承认：如果我们所能够知道的全部都只是影子，那么我们的确永远也不会有可靠的知识；因为这些影子由于实在事物的不为我们所知的运动，总是在大小和形状上变化着。然而他确信，我们可以发现在各种影子后面的实在对象，并由此获得真知识。（参考自：萨姆尔&詹姆斯-西方哲学史）

一，示波器探头原理

示波器的输入接口一般是BNC、SMA、3.5mm接头、2.92mm接头、1.85mm接头等同轴接口；所以被测试件的输出是类似的同轴接口连接器，那么可以直接通过电缆连接到示波器上，但我们一般测试的是PCB板上信号，那就需要相应的示波器探头。我们已经知道示波器是用来测试电压随时间变化的波形，所以一般示波器探头的作用是：将被测的电压信号从测量点引入示波器进行测量。如下图所示为各种示波器探头。

——示波器探头是用来测试电压的，那么电流怎么测试呢？需要通过传感器先转换成电压。

1，探头寄生参数的影响

示波器探头介于被测信号和示波器之间的中间环节，如果信号在探头处已经失真，那么示波器做得再好也将没有用：

——举个栗子：500MHz带宽的无源探头，其上升时间约为700ps，通过该探头测试一个上升时间为530ps的信号，即使不考虑示波器的影响，经过探头之后的上升时间已经变成860ps。

1. 对于高斯频响的示波器和探头：其组成的测量系统带宽：；

2. 对于平坦频响示波器和探头：其组成的测量系统带宽取决于带宽最小的部分。

——我们可以看到示波器探头对示波器的带宽有很大的影响。

探头相对于示波器更难设计：因为其除了要满足方便性（不能太大、可以拆卸以及方便使用）要求外，还要保证至少和示波器一样的带宽；

探头对测试的影响主要有如下两部分：

1. 探头对被测电路的影响；

2. 探头本身造成的信号失真。

——理想示波器探头是对被测电路没有任何影响，同时对被测电路的信号没有任何失真。

探头的输入电路等效图如下所示，测试时需要把该模型同被测电路放在一起分析。

1. 探头输入电阻Rprobe：为了减小对电路信号的影响，要求Rprobe尽可能大；

——Rprobe不可能无穷大，那么必然会与被测电路产生分压；一般要求输入电阻大于负载阻抗10倍以上。

2. 输入电容Cprobe：是影响探头带宽最重要的因素，会衰减信号中的高频分量，导致上升沿变缓；

——无源探头为10pF~几百pF，有源探头：0.2pF~几pF之间，输入阻抗会随频率减小；如下图所示，有源探头和无源探头阻抗随输入信号频率的变化，虽然无源探头在低频段（<10KHz）阻抗更大（因为无源探头的输入电阻更大，此时示波器探头的输入电阻Rprobe占主导因素），但在高频段有源探头的阻抗更高（此时示波器探头的输入电容Cprobe占主导因素）。

3. 输入电感Lprobe：寄生电感和寄生电容组成谐振回路，当电感值太大时，容易有输入信号激励产生高频谐振，造成信号失真（如下图所示）。

——输入电感取决于信号线和地线长度，对于高频信号测试时需要严格控制信号和地线的长度，否则容易产生振铃。

一般通用示波器在输入端有1MΩ和50Ω两种可切换的匹配电阻，高带宽示波器一般只支持50Ω输入：1MΩ的高输入阻抗广泛应用于500MHz一下的测量，而对于更高频率的测量，通常采用50Ω的传输线。

——为什么示波器会有50欧姆的输入阻抗？这样不会造成信号分压导致的失真么？胖友们先思考一下。

1. 对于电压测量角度来说，为了减小对电路的影响，示波器采用1MΩ高输入阻抗较好；但高阻抗电路的带宽对寄生电容很敏感，所以一般用于500MHz以下带宽的测量；

——输入电阻是1MΩ的情况下，寄生电容随频率而导致容抗变化，它们并联之后在不同信号频率的阻抗将有很大的改变，相反如果输入段部长有是50Ω，那么寄生电容的容抗对输入阻抗的影响就比较小，相对更加稳定。

2. 对于更高频率的测量，通常采用50Ω的传输线，所以示波器的50Ω主要用于高频测量。

——示波器100MHz以下带宽大部分1MΩ输入阻抗；100MHz~2GHz大部分有1MΩ和50Ω切换选择；大于2GHz示波器大部分只有50Ω输入阻抗。

2，无源探头

示波器探头有非常多的种类，都有其不用的应用场景和用途。从广义来说，测试电缆也属于一种探头，但是使用电缆连接时需要在被测电路上也有BNC或SMA接口，所以应用场合有限（主要用于射频和微波信号测试），而大部分通用的数字或模拟信号测试，都需要专门的探头。示波器探头按是否需要供电可分为：无源探头和有源探头。

无源探头是指：整个探头都由无源器件构成，包括电阻、电容、电缆等（概括为：阻、容、感）；而有源探头是指：内部一般有放大器，而放大器是需要供电的（可以通过示波器接口供电或外部电源、电池供电）。探头分类如下图所示。

2.1 高阻无源探头

无源探头指的是：内部没有需要供电的有源器件；根据输入阻抗的大小分为：高阻和低阻无源探头。而高阻无源探头是应用最广泛的，我们平时使用的无源探头一般都是高阻无源探头。高阻无源探头与示波器相连，要求示波器端的输入阻抗必须是1MΩ，如下图所示，实现10:1衰减比探头：输入信号由于探头和示波器的分压被衰减了10倍。

1. 高阻无源探头前端有一个匹配电路：Rtip和Ctip并联；需要满足Rtip*Ctip = Rscope*Cscope；

——无源探头线路长度通常在1m左右，如果不加匹配电路会对高频分量造成非常大的衰减。

2. Cscope是示波器寄生电容，其通过工艺控制在一定范围但不能精确设定（不同通道的Cscope不同），为了补偿示波器不同通道寄生电容的变化，在无源探头的连接示波器端有一个可调电容：Ccomp。

——当探头接在不同通道上，可以通过调整Ccomp来补偿Cscope的变化。

高阻无源探头中有两个特殊的种类：

1. 高压探头：衰减比可达100:1或1000:1；所以能够测量电压范围很大（几kV）；

2. 1:1探头：信号没有衰减就进入了示波器，由于不想衰减探头那样需要再放大操作，所以示波器本身噪声不会被放大，所以在小信号和电源纹波测量场合应用很多。

——1:1探头前端没有信号高频补偿电路，因此带宽一般不高，通常在50MHz以下。

高频探头有价格便宜，输入阻抗高，测量范围大，连接方便的优点，所以广泛应用于通用测试场合；但是随着测试频率的提升，各种二阶参数难以控制，仅仅依靠简单的匹配无法提升带宽，所以一般应用于1GHz一下；常用无源探头参数如下所示。

2.2 低阻无源探头

低阻无源探头又称为传输线探头，虽然其应用场合不如高阻无源探头多，但也有其自身的特点。其外观与高阻无源探头类似，但内部结构不同：其等效电路是在前端串联了一个分压电阻，使用时要求示波器的输入阻抗设置为50Ω，根据串阻的不同实现不同的分压比：举个栗子，串联450Ω电阻，实现10:1的分压。

——传输线缆采用50Ω特征阻抗，示波器端也是50Ω匹配，所以探头的带宽比较高：GHz以上。

低阻无源探头的最大好处是：以较低的价格提供了较高的测试带宽（数GHz），其缺点是：输入阻抗低（50Ω~5KΩ），在电路测试中改变被测电路的阻抗和分压关系，会对被测信号本身产生影响，特别是高输出阻抗的电路。

3，有源探头

高阻无源探头和低阻无源探头都有各自的优缺点，那是否有一种探头：既有大带宽，又有高输入阻抗呢？答案就是：有源探头。

有源探头泛指需要供电的探头，这种探头有专门放大器电路，而放大器需要供电，因此被称为有源探头。也可以分为很多种：单端有源探头、差分有源探头和电流探头等等。

如上图所示为单端有源探头结构；其特点如下：

1. 有源探头的前端有一个高带宽放大器，输入阻抗很高，所以有源探头能够提供较高的输入阻抗；

2. 放大器输出驱动能力很强，直接驱动后面的50Ω负载和传输线，使得可以提供很高的传输带宽；

——我们在《信号完整性》专题中分析了两种传输线的无损匹配方式，其中一种便是终端并联匹配，其优点是信号传输非常干净，不会产生发射，根据传输线理论，示波器是采用终端匹配的方式。

3. 放大器本身带宽也很高，所以整个探头系统可以提供相比于无源探头更高的带宽。

有源探头的优异性能得益于：放大器可以尽可能靠近被测电路，从而信号环路很小，减少了很多寄生参数；但是高带宽放大器的价格非常高，而且探头前端空间有限，所以实现成本很高（上万RMB）。

有源探头提供了高带宽的同时提供了1MΩ的输入阻抗，很好的平衡了带宽和输入阻抗的要求，所以高带宽的有源探头要求示波器采用50Ω的匹配方式，保证后端的传输带宽。而该50Ω指的是示波器采用的阻抗匹配方式，对于信号测试点看向探头方向，其是高阻输入的。

1. 有源探头除了价格高之外，其输入电压动态范围也有限；因为一般高带宽放大器正常工作电压范围不大，所以高带宽有源探头的电压测量范围要远小于无源探头；

——10:1的高阻无源探头最大测量电压可达几百V，而有源探头动态范围在几V以内，甚至几十GHz带宽的有源探头动态范围只有1V左右。

2. 单端有源探头上有一个接地插孔，连接被测电路的GND，这种结构造成地环路较大（接地环路的电感效应），会限制有源探头的可用带宽。

——测量较高频段信号时，需要使用尽可能短的接地线。

3.1 差分有源探头

差分有源探头是一种特殊的有源探头，与普通单端有源探头相比的差别在于前端的放大器是差分放大器；而差分放大器的最大好处是：共模抑制比高，对共模噪声抑制能力较好，可以直接测量高速差分信号；结构如下图所示。差分探头可以分为两类：高带宽差分探头和高压差分探头。

单端有源探头由于其地线较长，探头带宽很少大于6GHz，所以对于更高带宽的测试，一般使用差分探头。高带宽差分探头主要用于高速信号的测试，其由于采用了很高带宽的放大器，通常其输入量程比较有限：在5V甚至2.5V以内。

——信号频率达到一定速率时，基本都是以差分的方式传输的，用高带宽差分探头可以直接测量到差分信号的差值结果，使用起来更加方便。

高带宽有源探头带宽高、价格贵，前端放大电器灵敏度比较高，前端设计比较紧凑，耐压低且能承受机械外力较小。典型的有源差分探头和前端参数如上图所示，这种分体式的探头放大器需要配合不同种类的前端使用，放大器部分是有源电路，而前端主要是无源匹配电路，用于提供电气及机械连接。

高压差分探头应用在高压环境的差分信号测量，例如：CAN总线，RS485总线,1553B总线等测量场合，由于信号速率不高，因此对于带宽要求也不高，但处于接地安全或抗共模干扰等考虑，测试中也需要用差分探头，这是需要用到能够承受较高电压输入的差分探头。如下图所示。

3.2有源探头的使用注意事项

高带宽有源探头的带宽高、价格贵，同时为了保证其高测量带宽，前端放大器灵敏度比较高，前端附件设计得比较紧凑，因此耐压低，能够承受机械外力的力量较小；而有源探头一旦损坏，其维修和更换的成本很高，所以在使用过程中需要着重关注：

1. 使用电压范围：如上节的探头参数，动态范围为：3.3Vpp；直流偏置范围：±16V，最大电压：30V；

——信号幅度超过动态范围，其超过部分可能会失真；而超过最大电压范围则探头可能永久损坏。

2. 探头放大器和示波器的连接：如下图所示，连接器需要将探头放大器垂直插入示波器输入接口，插到位后有锁扣自动闭合，拔出时需要先松开锁扣，然后垂直拔出；

3. 探头前端连接：现在很多高带宽差分探头采用放大器和探头前端分体式设计，根据实际测试需求选配不同前端；插拔时不要弯折和旋转，否则会损坏连接器；同时避免信号测试过程中插拔探头；

4. 探头放大器的保存：探头内部有精细的内部电路，要保持探头干燥，轻拿轻放，注意静电防护；在保存时需将放大器上的线缆盘起，收纳于专用测试包中，避免冲击或挤压；

5. 工作温度范围：很多有源探头放大器的工作温度范围是：5~40℃（不可直接放入温箱做高低温），相比较而言探头前端的工作温度范围大很多；

——可以使用延长线缆连接放大器与探头前端之间，采用能够承受极端温度的材料设计的探头，可以将测试温度范围扩展到-55~+150℃。如下图所示。

6. 焊接探头的固定方法：焊接前端非常细和脆弱，为防止外力拉拽造成脱落，通常对探头放大器或前端进行固定；

——可以使用不导电双面胶或低温热胶来固定放大器。

7. 使用注意事项：

1，高带宽探头为了保证带宽，前端尺寸非常小，使用中需控制力度，避免机械损坏；

2，插拔探头放大器、调整垫测前端间距时按正确方法操作；

3，当探头前端和被测信号连接着时，切勿插拔探头放大器；

4，注意每种探头适用的动态范围和最大输入电压，不要超出；

5，使用过程注意ESD防护，不要用手直接触摸探头放大器和示波器输入端口。

4，电流测量探头

我们平时工作中也有对电路电流测量的需求，如果只是静态电流的测量，那么万用表（串入电路）可以实现；如果要观察电流的变化情况，则可以采用数据采集设备做连续采集和记录；但如果希望观察更快速的电流动态变化（上电瞬间冲击电流，开关电源开关损耗等），就需要用到示波器了。

胖友们很清楚示波器本身只能显示电压随时间的变化波形，其测试的是电压量；而要测试电流量，则需要将电流量转换为电压量才行，常用将电流转换为电压的方法有两种：取样电阻法、霍尔元件法以及电磁感应法等。

1. 取样电阻法：取样电阻的方法是在被测的电流路径上串接一个小的电阻器（0.1Ω或1Ω），电流流过电阻器时会产生压降；通过差分探头测量取样电阻上的压降，再根据欧姆定律就可以计算出流过电阻器上的电流；

1，优点是：成本低、易于实现；

2，缺点是：需要断开被测电路，并会产生额外压降，不适合应用于大电流动态变化的场合。

2. 霍尔元件法：霍尔元件法是利用霍尔器件的磁电效应，把被测电流路径感生出的磁场转换成电压进行测量；电流探头的前端有一个磁环，使用时这个磁环套在被测的供电线上。

——我们一般使用的就是霍尔效应的电流探头了，将电流穿过电流探头。

1，电流流过电线所产生的磁场被该磁环收集到，磁环里的磁通量与电线上流过的电流呈正比；

2，磁环内部有一个霍尔传感器，其用于检测磁通量，其输出电压与磁通量成正比，所以电流探头的输出电压与被测电线上流过的电流成正比；

3，示波器通过测量探头的输出电压值就可以知道被测供电线上电流的大小。

4，主要优点是：不用断开供电线就可以进行电流测量啊，并同时可以进行直流和交流的测量；

5，主要缺点是：受限于示波器的底噪声，其小电流测量能力有限，一般不小于10mA的电流。

3. 电磁感应法：其工作原理类似于电工使用的钳形表，是利用线圈感应产生电流，并使感应电流流过负载产生电压进行测量。

1，优点是：灵敏度和带宽可以做的很高（2GHz以上）；

2，无法用于直流及低频电流的测量。

——变化的电流产生变化的磁场，再由变化的磁场产生感应电流；如果原始电流是恒定的，那么将产生恒定的磁场，而恒定的磁场无法再产生感应电流。