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編者按： 探頭將示波器的輸入端連接到受測試器件 (DUT) 上的測試點。探頭分為很多類型，包括：高阻抗無源、低電容、單端有源、差分有源、高電壓和電流探頭。本文是有關探頭選擇和應用的三篇系列文章的第一篇，重點介紹無源探頭。 第 2 部分和第 3 部分將分別介紹有源探頭和電流探頭。

無源探頭是一種將示波器連接到受測試器件或電路的很好方法。它們具有低成本和高可靠性的優點，當正確使用時，還提供合理的信號完整性。本文將從工作原理入手，通過基本調節和使用，對無源探頭進行探討。我們將討論影響正確測量的無源探頭特征，旨在了解這些裝置的最有效應用。

示波器通常提供 50 Ω 或 1 MΩ 的輸入端接。50 Ω 端接通常與匹配的同軸電纜配合使用，以連接到帶 50 Ω 電流源的電路元件。這樣，不但可以實現高質量的互連，而且只產生最小的信號失真。使用 1 MΩ 輸入端接來連接電路時，源阻抗更高。這種連接可以通過多種方式實現，包括直接使用電纜或 X1 探頭，或者使用高阻抗探頭（圖 1）。

圖 1： 將信號連接到示波器的 1 MΩ 輸入端時，直接連接 (a) 與使用高阻抗探頭 (b) 進行連接的電路簡化圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

1 MΩ 輸入端還包括從 15 至 25 pF 的分路電容。使用直接連接時，不匹配的電纜會增加額外的電容，每英尺電纜長度增加 10 至 30 微微法拉 (pF)。在 3 英尺長度電纜的典型情況下，電纜的探頭端的負載為 1 MΩ，并聯電容大約為 90 pF（圖 1a）。對于低頻率測量，電容負載可以忽略不計。例如，在 1 kHz 的頻率下，容抗約為 1.8 MΩ。但是，對于更高頻率的信號，效果會很差。在 100 MHz 的頻率下，容抗降低至大約 18 Ω，這將大幅衰減信號。

如高阻抗探頭（圖 1b）所示可以減小示波器和連接電纜的輸入電容的影響。此探頭基本上是補償衰減器。輸入電阻器，標稱為 9 MΩ，形成 10:1 衰減器，示波器使用 1 MΩ 輸入端接。電容器 C_in 和 C_comp 被用于補償衰減器，并形成全通網絡。當 C_in 和 R_in 的 RC 乘積等于 R_o 的 RC 乘積以及 C_in 和 C_comp 的電纜電容的總和時，補償比較理想。C_comp 用于調節補償。輸入端的電容取決于 C_in，約為電路中的其他電容器的總和的十分之一。在本例中大約為 10 pF。

高阻抗無源探頭

幾乎所有主要示波器供應商都在他們的設備中包括了一系列高阻抗探頭。 Teledyne LeCroy 的 HDO4104A 四通道、1 GHz 示波器帶有四個 PP018-1 探頭。它們是 10:1 高阻抗無源探頭，帶寬為 500 MHz，輸入電容為 10 pF。這些探頭可處理至少 350 Vrms 的輸入電壓。

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圖 2： PP018 高阻抗探頭的帶寬為 500 MHz，輸入電容為 10 pF。此處還顯示了它附帶提供的配件。（圖片來源： Teledyne LeCroy）

大多數無源探頭使用衰減檢測引腳，通知示波器自動縮放波形，而無需用戶輸入。

高阻抗探頭的低頻率補償

高阻抗探頭通過低頻率補償過程，與它們連接到的通道相匹配。對于這個過程，所有示波器都提供低頻率方波，一般頻率為 1 kHz，通常稱為 CAL 輸出。要利用這項功能，請首先將探頭連接到所需的通道，然后將探頭尖端連接到 CAL 輸出端。觸發示波器并在屏幕上查看選定通道軌跡。使用調節工具，在探頭連接器盒中更改補償調節，以獲取方波軌跡上的方角，如中間的軌跡所示（圖 3）。

圖 3： 通過調節補償調節，獲取 CAL 方波上的方角，對探頭進行低頻補償，如中間的軌跡所示。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

每當探頭連接到不同通道時，就應該進行補償，特別是在任何關鍵測量之前。很多高阻抗探頭還提供高頻補償調節。通常不需要執行這種調節。探頭手冊提供了此測試的詳細信息。

智能探測

要正確應用高阻抗探頭，必須注意它的基本原理，避免導致測量的波形出現失真。例如，探頭的輸入電容將對測量產生什么影響？

為了找到問題答案，請計算探頭在信號的最高頻率分量處的容抗 (1/2πfC_in)。受測試電路是否支持該負載？如果支持，請繼續測試。如果不支持，請尋找不同的探測解決方案，例如有源探頭（本系列文章的第 2 部分）。一條很好的經驗法則是，高阻抗探頭的使用應限于 25 MHz 以下頻率的信號。探頭手冊通常提供了探頭輸入阻抗與頻率的曲線圖，以幫助評估探頭在任何特定頻率下的適用性。

探頭配件也可能導致問題，特別是在高頻率下。一種情況是接地引線電感。圖 2 顯示的接地引線長度約為 4.3 英寸 (11 cm)。它有很大的電感。當探頭連接時，電感兩端的任何電壓都將與信號串行。讓接地路徑長度盡可能短是可取的做法。為此，探頭附帶提供了多種配件。其中包括探頭尖端接地和 BNC 適配器，可用于這種目的。圖 4 比較了使用不同接地配件來測量階躍信號的結果，上升時間為 3 納秒 (ns)。

圖 4： 顯示接地引線電感對信號的影響：讓接地引線盡可能短是可取的做法，因為它與信號串行產生電感。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

圖 4 中的黃色軌跡是來自發生器的信號，它使用 50 Ω 輸入端接進行測量得到，將作為信號質量的基準。紅色軌跡為使用 11 cm 接地引線的結果。引線電感兩端形成的信號的高頻分量導致了可觀察到的波形過沖。探頭尖端接地和 BNC 適配器具有大致相同的響應，但過沖卻小得多，因為接地路徑長度更短，且各自串聯電感也比較低。

正如上文所述，只有在信號具有很大的高頻分量時，才會出現這種效果。如果使用正弦波進行相同的測量，差異可能根本不明顯。在使用探頭時，請牢記這些效應。

探頭配件及其用途

表 1 列出了 PP018-1-ND 探頭附帶提供的配件及其用途。

表 1： PP018 探頭附帶提供的配件及其用途（請參考圖 2）。（信息來源： Digi-Key Electronics）。

為示波器選擇備選探頭

有些時候，測量應用可能需要不同的示波器探頭。例如，電源測試既需要直接連接，以便進行紋波測量，又需要 x10 高阻抗探頭，以便測量電壓軌。如果必須在兩個探頭之間切換，那將會耗費很多時間，但 Digi-Key 列出了多個 x1/x10 可切換探頭。這意味著用戶無需更換探頭，但如何確定適當的替代探頭呢？

第一個步驟是確定測量所需的帶寬。在本例中，100 MHz 以下的探頭帶寬即可滿足需求。確定探頭的最大額定電壓，以確保它符合測量要求。最后，確認示波器的輸入電容在探頭 x10 規范的補償范圍內。

SP300B x1/x10 可切換探頭非常適合與具有 15 pF 輸入電容的 HDO 4104A 示波器配合使用，帶寬為 300 MHz，最大輸入為 300 伏特，補償范圍為 10 至 35 pF。

結論

要正確應用高阻抗無源探頭，就需要掌握有關測試問題和技術的基本知識，還需要具備一些經驗，此類探頭是一種很好的通用工具，用于將示波器連接到測試電路。請記住，它們并不是探測問題的唯一解決方案，但提供了經濟高效的著手點。