在理想情況下，所有示波器探頭都應(yīng)該是一條不會(huì)被測設(shè)備生產(chǎn)任何干擾的導(dǎo)線，當(dāng)連接到電路時(shí)，具有無窮大的輸入電阻，而電容和電感為零。這樣將會(huì)精確復(fù)制被測信號(hào)。但現(xiàn)實(shí)情況是，示波器探頭會(huì)給電路帶來負(fù)載效應(yīng)。為了很好使用示波器進(jìn)行測量，接下來一起了解常見的示波器探測錯(cuò)誤以及如何避免這些錯(cuò)誤吧
錯(cuò)誤一：沒有校準(zhǔn)探頭
探頭在交付給您之前已進(jìn)行過校準(zhǔn)，但它們沒有針對(duì)示波器前端進(jìn)行校準(zhǔn)。如果它們未在示波器輸入端上進(jìn)行校準(zhǔn)，那么就無法得到測量結(jié)果。
示波器有源探頭
如果您的有源探頭沒有針對(duì)示波器進(jìn)行校準(zhǔn)，您將看到垂直電壓測量結(jié)果和上升沿時(shí)序(以及可能的一些失真)出現(xiàn)差異。大多數(shù)示波器具有參考或輔助輸出功能，還配有指南來引導(dǎo)您完成探頭校準(zhǔn)。
圖 1 顯示了通道 1(黃色跡線)上的 SMA 電纜和適配器輸入到示波器的 50 MHz信號(hào)。綠色跡線是通過通道 2 上的有源探頭輸入到示波器的同一信號(hào)。請(qǐng)注意，通道 1 上的發(fā)生器輸出為 1.04 Vpp(伏特峰峰值)，通道 2 上探測到的信號(hào)為 965 mV (毫伏)。另外，通道 1 與通道 2 的偏移高達(dá) 3 ms(毫秒)，所以上升時(shí)間根本不能排成一行。
圖 1：發(fā)生器輸出和探測到的信號(hào)。
如果我們校準(zhǔn)這個(gè)探頭，結(jié)果將大為改善。您可以在圖 2 中看到經(jīng)過適當(dāng)幅度和偏移校準(zhǔn)后的結(jié)果。幅度現(xiàn)在改善為 972 mVpp，偏移得到了糾正，兩個(gè)上升時(shí)間保持一致。
圖 2：經(jīng)過幅度和偏移校準(zhǔn)后。
示波器無源探頭
可以調(diào)節(jié)探頭的可變電容，使補(bǔ)償與正在使用的示波器輸入完美匹配。大多數(shù)示波器都有可以用于校準(zhǔn)或參考的方波輸出。探測這個(gè)連接，檢查波形是否為方形。根據(jù)需要調(diào)整可變電容，以消除所有下沖或過沖。
技巧：示波器可能有調(diào)節(jié)探頭補(bǔ)償?shù)墓δ�，您也可以手�?dòng)更改。
——將探頭校準(zhǔn)到與示波器保持一致，以獲得被測信號(hào)最準(zhǔn)確的表示。
錯(cuò)誤二：增加探頭負(fù)載效應(yīng)
只要將探頭連接到示波器并將它與您的設(shè)備接觸，探頭就會(huì)成為電路的一部分。探頭對(duì)您的設(shè)備施加的電阻、電容和電感負(fù)載效應(yīng)會(huì)影響您在示波器屏幕上看到的信號(hào)。這些負(fù)載效應(yīng)可能會(huì)改變被測電路的工作狀態(tài)。了解這些負(fù)載效應(yīng)，有助于您避免為特定的電路或系統(tǒng)選擇錯(cuò)誤探頭。探頭具有電阻、電容和電感特性，如圖 3 所示。
圖 3：探頭的基本電路。
為了接觸到周圍環(huán)境過于狹小的探測點(diǎn)，可能需要想方設(shè)法添加長引線或電線。但是，為探頭添加附件或探針會(huì)降低帶寬、增加負(fù)載效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致頻率響應(yīng)不再 平坦。
通常，探針的輸入線或引線越長，帶寬減小得就越大。較窄帶寬的測量可能不會(huì)受到太大影響，但在進(jìn)行較寬帶寬的測量時(shí)，特別是在 1 GHz 以上時(shí)，需要謹(jǐn)慎選擇使用的探針和附件。隨著探頭帶寬降低，您將失去測量快速上升時(shí)間的能力。圖 4 演示了隨著附件長度的增加，示波器顯示的上升時(shí)間是如何變慢的。為了進(jìn)行最準(zhǔn)確的測量，最好使用盡量短的探針。
圖 4：不同的探頭引線長度對(duì)應(yīng)的探頭負(fù)載效應(yīng)。
——使用盡量短的引線來保持探頭的帶寬和精度。
另外，最好要使用較短的接地引線，因?yàn)樗鼈冊(cè)介L，引入的電感就越多。保持接地線盡量短并盡量靠近系統(tǒng)接地點(diǎn)，以便確�？芍貜�(fù)和準(zhǔn)確的測量。
技巧：如果必須在探針上添加導(dǎo)線才能接觸到難以到達(dá)的探測點(diǎn)，那么最好為探針添加一個(gè)電阻，以減弱所添加的導(dǎo)線引起的諧振。添加長引線時(shí)，您可能無法解決帶寬限制問題，但可以將頻率響應(yīng)變平坦。為了確定將要使用的電阻大小，可以探測一個(gè)已知方波，例如示波器上提供的參考方波。如果電阻設(shè)置正確，您將會(huì)看到一個(gè)干凈的方波(除了其帶寬可能受限之外)。如果信號(hào)發(fā)生振鈴，請(qǐng)?jiān)黾与娮璧拇笮�。單端探頭只需要在探針處增加一個(gè)電阻。如果您使用的是差分探頭，請(qǐng)為每根引線添加一個(gè)電阻。
圖 5：在探針上增加一個(gè)電阻，可以克服長探頭連接所引起的諧振，減少振鈴和過沖。但是，它不能解決由于添加引線導(dǎo)致的帶寬限制。
——使用電阻抑制因長探頭引線導(dǎo)致的峰值。
錯(cuò)誤三：沒有充分利用您的差分探頭
許多人認(rèn)為只有在探測差分信號(hào)時(shí)才使用差分探頭。您是否知道，在探測單端信號(hào)時(shí)，也可以使用差分探頭?這將為您節(jié)省大量時(shí)間和金錢，并提高測量的準(zhǔn)確性。最大限度地利用差分探頭，獲得盡量最好的信號(hào)保真度。
差分探頭可以進(jìn)行與單端探頭相同的測量，并且由于差分探頭在兩個(gè)輸入端上有共模抑制，所以差分測量結(jié)果的噪聲大為減少。這使您可以看到被測設(shè)備信號(hào)的更好表示，而不會(huì)被探測所增加的隨機(jī)噪聲誤導(dǎo)。
請(qǐng)看下一頁圖 6 中的藍(lán)色單端測量信號(hào)和圖 7 中的紅色差分測量信號(hào)。藍(lán)色的單端測量結(jié)果與紅色的差分測量結(jié)果相比，噪聲要多得多，因?yàn)閱味颂筋^缺少共模校正功能。
圖 6：單端測量
圖 7：差分測量
——差分探頭可以執(zhí)行與單端探頭相同類型的測量，但共模抑制功能使其噪聲明顯降低。
錯(cuò)誤四：選擇了錯(cuò)誤的電流探頭
大電流和小電流測量需要捕獲的細(xì)節(jié)并不相同。您需要知道為應(yīng)用選擇哪種電流探頭更合適，以及使用錯(cuò)誤的探頭可能會(huì)遇到哪些麻煩。
大電流測量：
如果使用鉗形探頭測量大電流(10A - 3000A)，那么您的設(shè)備必須足夠小，使鉗形探頭能夠夾住它。如果設(shè)備太大使得鉗形探頭無法夾住，那么工程師可能會(huì)想辦法在探頭鉗夾上添加額外的導(dǎo)線，但這會(huì)改變被測設(shè)備的特性。更好的辦法是使用合適的工具。
最好的解決方案是使用具有柔性回路探頭前端的大電流探頭。您可以將該柔性回路纏繞到任何設(shè)備上。這種探頭叫做 Rogowski 線圈。它可以讓您在不添加未知特性元器件的情況下探測設(shè)備，使測量結(jié)果保持高度的信號(hào)完整性。它們還使您能夠測量從 mA 級(jí)到數(shù)百 kA 的大電流。請(qǐng)注意，它們只測量交流電流，所以直流分量將被隔離。它們的靈敏度也低于某些電流探頭。這對(duì)于大電流測量來說通常不是問題。但是在測量小電流時(shí)，靈敏度和查看直流分量的能力就變得很重要。請(qǐng)記住，對(duì)一種測量有效的方式并不一定適用于另一種測量。
圖 8：纏繞到元器件上的 Rogowski 探針。
——使用適合被測設(shè)備的大電流探頭。
小電流測量
如果測量電池供電設(shè)備的電流，則動(dòng)態(tài)范圍會(huì)有很大差異。如果電池供電設(shè)備處于空閑狀態(tài)或僅處理少量后臺(tái)任務(wù)，其電流峰值會(huì)很小。當(dāng)設(shè)備切換到更為活躍的狀態(tài)時(shí)，電流峰值會(huì)大幅提高。使用垂直標(biāo)度較大的示波器設(shè)置，您可以測量大信號(hào)，但小電流信號(hào)將被測量噪聲掩蓋。另一方面，如果您使用較小的垂直標(biāo)度設(shè)置，那么大信號(hào)會(huì)削波，您的測量結(jié)果也將失真并失效。
選擇的電流探頭應(yīng)該不僅能夠測量從 μA 到 A 的寬量程，還可以使用多個(gè)放大器同時(shí)查看大小電流偏差。探頭中的兩個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃髟试S您設(shè)置放大視圖以查看小電流波動(dòng)，還可以縮小視圖以同時(shí)查看大電流尖峰(參見圖 9)。
圖 9：配有兩個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鞯碾娏魈筋^讓您可以一次同時(shí)查看大小電流偏差。本例中展示的是 Keysight N2820A/21A 高靈敏度電流探頭。
——使用具有足夠靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的小電流探頭來捕捉信號(hào)的所有方面內(nèi)容和細(xì)節(jié)。
錯(cuò)誤五：在紋波和噪聲測量期間會(huì)錯(cuò)誤地處理直流偏置
直流電源上的紋波和噪聲是由較大直流信號(hào)上的小交流信號(hào)形成的。當(dāng)直流偏置較大時(shí)，您可能需要在示波器上使用較大的每格電壓設(shè)置才能在屏幕上顯示信號(hào)。與小交流信號(hào)相比，這樣做會(huì)降低測量的靈敏度并增加噪聲。這意味著您無法獲得信號(hào)交流部分的準(zhǔn)確表示。
如果使用隔直流電容器來解決這個(gè)問題，那么將不可避免地阻隔部分低頻交流內(nèi)容，使您無法觀察到信號(hào)在經(jīng)過設(shè)備上的元器件時(shí)發(fā)生的變化。
使用具有較大偏置功能的電源探頭，可以將波形置于屏幕中間，而無需移除直流偏置。這樣可以讓整個(gè)波形都顯示在屏幕上，同時(shí)保持垂直標(biāo)度較小且處于放大狀態(tài)。通過這些設(shè)置，您可以查看瞬態(tài)、紋波和噪聲的細(xì)節(jié)
——使用具有較大偏置功能的電源探頭，可以不用消除信號(hào)的直流部分，便能查看瞬態(tài)、紋波和噪聲的細(xì)節(jié)。
錯(cuò)誤六：未知的寬帶限制
在進(jìn)行重要測量時(shí)，務(wù)必選擇具有足夠帶寬的探頭。帶寬不足會(huì)使信號(hào)失真，使您很難做出明智的工程測試或設(shè)計(jì)決定。
普遍接受的帶寬計(jì)算公式為：評(píng)測從 10% 到 90% 的上升沿時(shí)，帶寬乘以上升時(shí)間等于 0.35。
值得注意的是，您的整個(gè)系統(tǒng)帶寬也是需要考慮的重要因素。探頭和示波器的帶寬都要考慮，從而確定系統(tǒng)帶寬。計(jì)算系統(tǒng)帶寬的公式如下所示。
例如，假設(shè)您的示波器和探頭帶寬均為 500 MHz。使用上面的公式可知，系統(tǒng)帶寬將為 353 MHz。您可以看到，與探頭和示波器的兩個(gè)單獨(dú)帶寬相比，系統(tǒng)帶寬大大降低。
現(xiàn)在，如果探頭帶寬僅為300 MHz，示波器帶寬仍為 500 MHz，那么應(yīng)用上述公式，系統(tǒng)帶寬進(jìn)一步降至 257 MHz。
——探頭和示波器組成了一個(gè)“系統(tǒng)”，對(duì)帶寬的整體影響比它們單獨(dú)的影響都要大。
錯(cuò)誤七：被掩蓋的噪聲影響
探頭和示波器的噪聲可能會(huì)導(dǎo)致被測設(shè)備的噪聲顯得更大。為您的應(yīng)用選擇具有合適衰減比的探頭，將會(huì)減小探頭和示波器所添加的噪聲。因此，您就能夠獲得更準(zhǔn)確的信號(hào)，更清晰地查看被測設(shè)備的情況。
許多探頭制造商將探頭噪聲描述為等效輸入噪聲(EIN)，并以 Vrms 為單位表示。較高的衰減比使您可以測量較大的信號(hào)，但缺點(diǎn)是示波器將檢測到這些比率并同時(shí)放大信號(hào)及其噪聲。為了了解這一效應(yīng)的實(shí)際結(jié)果，圖 10 中的綠色跡線顯示了使用 10:1 探頭放大后的噪聲。
圖 10：使用 1:1 和 10:1 探頭測得的 50 mVp-p 正弦波。
—— 有一種方法可以簡單地估算探頭噪聲大小，這就是從探頭的技術(shù)資料或手冊(cè)中檢索該探頭的衰減比和探頭噪聲電平。
每個(gè)電路和測試環(huán)境都各不相同。在一個(gè)環(huán)境中有效的探頭，在另一個(gè)環(huán)境中不一定仍有效。在有些使用場景中，使用附件是可以接受的。但在其他場景中，只有采用與被測設(shè)備最簡單、最短的連接，才能實(shí)現(xiàn)成功測量。有些變通的測量方法對(duì)測試結(jié)果的影響相對(duì)較小。因此，您必須了解在每個(gè)測試場景中，使用何種工具和技術(shù)可以得到準(zhǔn)確的測試結(jié)果。
了解這些常見的探測錯(cuò)誤可以幫助您為應(yīng)用選擇更合適的探測方法。
