探測(cè)技術(shù)對(duì)于高質(zhì)量的示波器測(cè)量至關(guān)重要，而探頭通常是示波器測(cè)量鏈中的第一環(huán)。如果探頭的性能不足，就會(huì)在示波器上看到失真信號(hào)或誤導(dǎo)信號(hào)。為您的應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)奶筋^是進(jìn)行可靠測(cè)量的第一步。如何使用探頭也會(huì)影響您進(jìn)行精確測(cè)量的能力，以至于影響您獲得有用的測(cè)量結(jié)果。本應(yīng)用指南介紹8個(gè)重要技巧，幫助您為自己的應(yīng)用選擇適當(dāng)探頭，提高示波器探測(cè)能力。
對(duì)于中低頻（小于600-MHz）測(cè)量來說，無源高阻抗探頭是很好的選擇。這些探頭堅(jiān)固耐用且價(jià)格經(jīng)濟(jì)，具有寬動(dòng)態(tài)范圍（大于300?V）和高輸入阻抗，從而和示波器的輸入阻抗相匹配。不過，和低阻抗（z0）無源探頭或有源探頭相比，無源探頭具有更高的電容負(fù)載，而且?guī)捿^低?？傊瑢?duì)于絕大多數(shù)模擬或數(shù)字電路的通用調(diào)式和故障診斷來說，高阻抗無源探頭都是一個(gè)極好的選擇。
對(duì)于在寬頻范圍上（大于?600?MHz）需要進(jìn)行精確測(cè)量的高頻應(yīng)用來說，最好選用有源探頭。有源探頭比無源探頭價(jià)格較高，并且其輸入電壓有限，但是由于它們的電容負(fù)載顯著降低，因而能使您更精確地觀察快速信號(hào)。
▲圖1-1 用無源探頭和有源探頭測(cè)量具有 600 ps 上升時(shí)間的信號(hào)
在圖1-1中，我們看到的是采用600?MHz示波器（Keysight?DSO?9064A）測(cè)量具有500?ps?上升時(shí)間信號(hào)的屏幕快照。左圖是使用Keysight N2873A 500?MHz?無源探頭測(cè)量此信號(hào)的圖像。右圖是使用Keysight?N2796A?2?GHz?單端有源探頭測(cè)量同一信號(hào)的圖像。兩個(gè)圖中的黃色跡線均是信號(hào)在探測(cè)之前的曲線。綠色跡線是探測(cè)后的信號(hào)曲線，它與探頭的輸入相同。紫色跡線顯示的是測(cè)得信號(hào)，也可以稱為探頭輸出。
無源探頭在加載信號(hào)時(shí)會(huì)混入自身的電阻、電感和電容（綠色跡線）。或許您希望示波器探頭不要影響被測(cè)件（DUT）的信號(hào)。不過，在本例中，無源探頭對(duì)被測(cè)件確實(shí)有影響。被探測(cè)的信號(hào)其上升時(shí)間由原來預(yù)期的600?ps?變?yōu)??ns，部分原因是由于探頭的輸入阻抗，另外還因?yàn)樵跍y(cè)量583-MHz?信號(hào)（0.35/600?ps?=?583MHz）時(shí)，探頭的帶寬只有500-MHz。
無源探頭的電感和電容效應(yīng)還會(huì)造成探頭輸出的過沖和波動(dòng)。一些設(shè)計(jì)人員對(duì)這個(gè)數(shù)量的測(cè)量誤差并不在意，但對(duì)某些設(shè)計(jì)人員來說，這個(gè)數(shù)量的測(cè)量誤差是無法接受的。
我們看到，在將有源探頭（例如Keysight N2796A 2GHz有源探頭）連接到被測(cè)件時(shí)，該信號(hào)幾乎未受影響。信號(hào)特征在探測(cè)后（綠色跡線）和探測(cè)前（N2796A?2GHz跡線）幾乎完全相同。此外，信號(hào)的上升時(shí)間也未受探頭的影響，始終保持在555ps。另外，有源探頭的輸出（綠色跡線）也和探測(cè)得的信號(hào)（紫色跡線）相匹配，測(cè)得上升時(shí)間為預(yù)期的600?ps。N2796A?有源探頭的2?GHz帶寬、優(yōu)異的信號(hào)保真度及其低探頭負(fù)載使這一切成為可能。
探測(cè)電路之前，先將一個(gè)探針連接到電路上的一點(diǎn)，然后再將第二個(gè)探頭連接到同一點(diǎn)。在理想狀況下，您應(yīng)看到信號(hào)無任何變化。如果信號(hào)產(chǎn)生變化，這個(gè)變化是由探頭負(fù)載引起的。在理想狀況下，示波器采用無擾線（具有無限的輸入電阻、零電容和零電感）連接到被測(cè)電路，它能對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行精確復(fù)制。但在現(xiàn)實(shí)世界中，探頭是測(cè)量的一部分，它會(huì)向電路加載負(fù)載。如欲檢查探頭的負(fù)載效應(yīng)，首先要將探頭連接到被測(cè)電路或一個(gè)已知的步進(jìn)信號(hào)，另一端連接到示波器的輸入端。在示波器顯示屏上觀察此跡線，然后保存，再在顯示屏上調(diào)用以使跡線保留在顯示屏上進(jìn)行比較。稍后，將相同類型的另一個(gè)探頭連接到同一探測(cè)點(diǎn)，觀察在使用兩個(gè)探頭進(jìn)行探測(cè)時(shí)原始跡線有何變化。
▲圖2-2 由長接地引線引起的探頭負(fù)載
為了更好地進(jìn)行探測(cè)，您可能需要對(duì)探測(cè)進(jìn)行調(diào)整，或者使用較低負(fù)載的探頭。例如本例中，縮短接地引線就能起到好的效果。在圖2-2?中，電路接地采用18?cm（7英寸）長的接地引線。
大多數(shù)探頭在設(shè)計(jì)時(shí)都和特定示波器型號(hào)的輸入相匹配。不過，各個(gè)示波器之間也是略有差別，甚至在同一示波器的不同輸入通道之間也有差別。所以在將探頭連接到示波器的輸入端之前，一定要確保首先檢查探頭補(bǔ)償，因?yàn)榇颂筋^先前可能已經(jīng)過調(diào)整以便和不同的輸入相匹配。為了解決這個(gè)問題，大多數(shù)無源探頭都采用內(nèi)置補(bǔ)償RC?分壓器網(wǎng)絡(luò)。探頭補(bǔ)償是調(diào)整RC分壓器的過程，以使探頭維持在額定帶寬上的衰減率。
如果示波器能夠自動(dòng)補(bǔ)償探頭性能，使用該功能將會(huì)非常有用。否則，可使用手動(dòng)補(bǔ)償來調(diào)整探頭的可變電容。大多數(shù)示波器在前面板上都可提供方波參考信號(hào)以對(duì)探頭提供補(bǔ)償。您可將探針連接到探頭補(bǔ)償端接，再將探頭連接到示波器的輸入端。觀察方波參考信號(hào)，使用小螺絲刀對(duì)探頭進(jìn)行恰當(dāng)調(diào)整，以使示波器屏幕上的方波看上去像方波。
隨著當(dāng)前電池供電設(shè)備和集成電路變得越來越注重環(huán)保和高能效，工程師迫切需要高靈敏度的低電平電流測(cè)量能力，以確保電流消耗處于可接受的范圍之內(nèi)。需要精確測(cè)量功耗的主要應(yīng)用是無線移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)類電子產(chǎn)品等使用電池供電的應(yīng)用。為了盡量延長電池的使用時(shí)間，工程師需要最大限度降低產(chǎn)品在整個(gè)使用壽命中的功耗。功率定義為P?=?V?x?I。降低設(shè)備功耗的主要方法是在電源電壓固定不變的情況下，減少設(shè)備的平均電流消耗。
測(cè)量由電池供電的移動(dòng)設(shè)備（例如手機(jī)或平板電腦）的電流消耗，最主要的挑戰(zhàn)是電流信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍非常寬。移動(dòng)設(shè)備通常需要在活動(dòng)狀態(tài)（峰值電流非常高而且消耗得非常快）與空閑或待機(jī)電流模式（只消耗極少直流和交流電流）之間來回切換。圖?4-1?顯示了在用GSM?手機(jī)打電話時(shí)測(cè)得的電流消耗?；顒?dòng)狀態(tài)下的電源峰值高達(dá)?2?A?左右，而空閑模式中的電流消耗極小。
▲圖4-1 用GSM手機(jī)打電話時(shí)測(cè)得的電流消耗
利用示波器測(cè)量電流，最簡單的辦法是用Keysight?1147B?或N2893A?等鉗形電流探頭直接監(jiān)測(cè)輸入被測(cè)器件的電流?？墒?，這種方法并不適合測(cè)量從不到1?毫安快速變到幾安培的小電流，因?yàn)殂Q形電流探頭的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度都非常有限，僅有幾毫安。以測(cè)量手機(jī)電流消耗為例，空閑狀態(tài)下的電流由于受到探頭噪聲的掩蓋而很難測(cè)量。
而且，為獲得更精確的測(cè)量，工程師必須不定期地對(duì)探頭進(jìn)行消磁處理，以消除探頭核心的殘余磁性，并補(bǔ)償鉗形電流探頭的直流偏置。額外的校準(zhǔn)流程會(huì)使鉗形電流探頭更加難以使用。
插入新模板、收藏、復(fù)制，都是針對(duì)黑色方框進(jìn)行操作。最新的 Keysight?N2820A?系列高靈敏度電流探頭可以同時(shí)滿足寬動(dòng)態(tài)范圍和高靈敏度電流測(cè)量需求。由于當(dāng)前的應(yīng)用環(huán)境要求測(cè)試裝置的外形必須極小，所以這些探頭還具有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)――只需極小的空間便能與被測(cè)器件（DUT）建立物理連接。
最新的N2820A/21A?交流/?直流電流探頭具有示波器電流探頭中業(yè)界最高的靈敏度，可覆蓋最低50?uA、最高5?A?的電流范圍。
