个例外有别于阻抗的一一匹配,当使用设计探头和示波器。其结果是,使用制 新术语 衰减探头时,例如,一根50输入阻抗造商所指定的标准探头,才能获得探头 衰减探头一通过衰减信号,有效地增加示波器的的10X探头,具有500的输入电阻M与示波器的最佳匹配。使用除制造商所 刻度因数范围的探头 的10X探头具有10Mg的输入阻抗 指定的以外的任何其它探头,均可导致 例如,10.探头通过减10倍有效地增加了示波器(衰减探头例如-根1以探头,也被归逊于最佳性能的测试 的显示范围。 类于分压器探头与乘法器探头。这些探探头与示波器的匹配要求是市场上具有 头倍增示波器的测量范围,并且通过衰大量商品探头的第一个理由。不同测量 这些探头通过衰减施加于探头尖的信号完成倍增:减或分压输入示波器的信号而完成这一需求要求不同的探头使得这一数日大大 这样,一个峰峰值10特信号被一根1探头工作,除了阻抗匹配探头的电容也应增加 减到10伏特峰值信号,并且再作为峰峰值信号该匹配示波器的额定的输入电容。探头最基本的差别在于被测量的电压的 通过示波器的刻度因子10X倍增,在示波器上显示通常,这个电容的匹配能通过探头的补电压范围。毫伏特,伏特,及千伏特测 为100伏特的信号。 偿网络的调整来做。但是只有当示波器量时,要求探头有不同的探头衰减因子 的额定输入电容在探头的补偿范围内时(1X,10X,100X) 然而,根据示波器的带宽技术规格和其才可以做到。因此需要不同补偿范围的 另外,在许多情况下信号电压是差分的。 他设计因素,输入电容可以有很大的变探头来满足不同的示波器的输入范围的也就是说,信号通过2点或2根电线而 化。为了合适的信号转换和保真度,探需要 头的R和C匹配示波器的R和C,这一 存在,这两点都不是接地点或公共电位 点是非常重要的。例如,509示波器输 配一个探头到一台示波器这一问题极(见图22) 入电阻应当使用50Ω探头。同样,MQ大地被示波器制造商简化了。示波器制如此的差分信号在电话语音电路、计算 输入阻抗示波器上使用1MΩ探头。但 造商小心地将其视为一个完整的系統而机磁盘读通道、及多相电源电路上是常 见的。测量这些信号还需要另外一种探 头,称为差分探头 有许多例子,特别地是在功率应用时,此 时电流比电压还要重要。这种应用最适 Single-Ended Signal 合于另一类探头,它们敏感电流而非电 压。电流探头和差分探头仅仅是许多不 同的类型的可用探头中的两个特别的种 本章的余下部分包含更多的常见类型的 探头及他们的特殊用处。 Differential Signal 图22单端信号将地(2作为参考点差分信号是两个信号线之间的差或两个测试点之间的差()
新 术 语 衰减探头 － 通过衰减信号，有效地增加示波器的 刻度因数范围的探头。 例如，10X探头通过衰减10 倍有效地增加了示波器 的显示范围。 这些探头通过衰减施加于探头尖的信号完成倍增； 这样，一个峰峰值 100 伏特信号被一根 10X 探头衰 减到 10 伏特峰峰值信号，并且再作为峰峰值信号 通过示波器的刻度因子 10X 倍增，在示波器上显示 为 100 伏特的信号。 然而，根据示波器的带宽技术规格和其 他设计因素，输入电容可以有很大的变 化。为了合适的信号转换和保真度，探 头的 R 和 C 匹配示波器的 R 和 C ，这一 点是非常重要的。例如，50 W 示波器输 入电阻应当使用50 W探头。同样，1MW 输入阻抗示波器上使用1M W探头。但一 个例外有别于阻抗的一一匹配，当使用 衰减探头时，例如，一根50W 输入阻抗 的10X 探头，具有500W的输入电阻；1MW 的 10X 探头具有 10MW 的输入阻抗。 （衰减探头，例如一根 10X 探头，也被归 类于分压器探头与乘法器探头。这些探 头倍增示波器的测量范围，并且通过衰 减或分压输入示波器的信号而完成这一 工作。）除了阻抗匹配，探头的电容也应 该匹配示波器的额定的输入电容。 通常，这个电容的匹配能通过探头的补 偿网络的调整来做。但是只有当示波器 的额定输入电容在探头的补偿范围内时 才可以做到。因此需要不同补偿范围的 探头来满足不同的示波器的输入范围的 需要。 匹配一个探头到一台示波器这一问题极 大地被示波器制造商简化了。示波器制 造商小心地将其视为一个完整的系统而 设计探头和示波器。其结果是，使用制 造商所指定的标准探头，才能获得探头 与示波器的最佳匹配。使用除制造商所 指定的以外的任何其它探头，均可导致 逊于最佳性能的测试。 探头与示波器的匹配要求是市场上具有 大量商品探头的第一个理由。不同测量 需求要求不同的探头使得这一数目大大 增加。 探头最基本的差别在于被测量的电压的 电压范围。毫伏特，伏特，及千伏特测 量时，要求探头有不同的探头衰减因子 (1X ， 10X ， 100X )。 另外，在许多情况下信号电压是差分的。 也就是说，信号通过 2 点或 2 根电线而 存在，这两点都不是接地点或公共电位 (见图 2-2 )。 如此的差分信号在电话语音电路、计算 机磁盘读通道、及多相电源电路上是常 见的。测量这些信号还需要另外一种探 头，称为差分探头。 有许多例子，特别地是在功率应用时，此 时电流比电压还要重要。这种应用最适 合于另一类探头，它们敏感电流而非电 压。电流探头和差分探头仅仅是许多不 同的类型的可用探头中的两个特别的种 类。 本章的余下部分包含更多的常见类型的 探头及他们的特殊用处。 图2-2. 单端信号将地(a)作为参考点，差分信号是两个信号线之间的差或两个测试点之间的差(b)。 12 Single-Ended Signal Differential Signal
因此,无源电压探头最通常是使用10X探极低的电容。首先,回想一下,低值电 新术语 头,并且作为示波器的一个代表性的标容,C,转换为高值的容抗,X。。这可 准附件。对于信号振幅是1伏特或小于1从X的公式看出,它是 时域反射计(TDR)-一种测量技术,将一个快速脉伏特的峰峰值的应用,一个1X探头是更 冲加于信号传输路径,测量脉冲的反射,以分析测适当或者所说更必要的 定传输路径的故障或失谐的位置和类型。 2fc 信号中有低振幅信号及中等振幅信号几 十伏特或几十毫伏)的混合,则一根1既然容性电抗是一个探头的主要的输入 阻抗元件,一个低值的C意味着高输入 不同探头的好处 10X可切换探头是非常便利的。 阻抗。有源的场效应管探头一般具有从 作为一篇前言而讨论各种各样的常用探然而,应该记住,一根可变换的110X50兆赫至高达4GH的带宽。 头的类型,认识到探头类型常有重叠,是探头本质上是在一起的2根不同的探头 非常重要的。当然一根电压探头只敏感不仅是他们有不同的衰减因子,他们的除了更高的带宽,有源场效应管探头的 电压,但是一根电压探头可以是一根无带宽、上升时间及阻抗(R与C)特征也高输入阻抗,允许在测量点进行未知阻 源探头或一根有源探头。同样,差分探是不同的 抗的测量,它具有更小的对负载的影响 头是电压探头的一种特殊类型,并且差其结果是,这些探头将不确切地匹配示另外,既然低电容减小了地线的影响就 分探头也可以是有源或无源探头,其中,波器的输入,并且将不能提供标准的10×可以使用更长的地线。然而,最重要的 将适当指出这些探头之间重叠的关系。探头的最适宜的性能。大多数的无源探方面是,场效应晶体管探头提供很低的 头设计为普通的示波器的应用。因此,他负载,使他们能够用于使用无源探头将 组成,并且,当需要补偿或衰减时,还们的带宽典型范围从不到100兆赫延伸带来严重负载的高阻抗电路 有电阻器与电容器。探头没有有源的部到500兆赫以上。有一种提供更高带宽既然具备如此高的性能,比如直流到 件晶体管或放大器,并且不需供电源给的无源探头,被称为502探头,L探头,4GH宽的带宽,你可能会说:那为什么 探头。因为他们相对简单,无源探头趋或者分压器探头。这些探头设计为在还要无源探头?回答是有源探头没有无 于是最粗劣且最经济的探头。他们易于50Q环境下使用,它典型的应用是高速源探头那样的电压动态范围。有源探头 使用并且也是探头中最广泛地被使用的设备,微波通信,及时域反射计(TDR。的线性动态范围通常是从±0.6V到 类型。 个用于如此应用的典型的509探头有10V。同样,他们能承受的最大电压小于 然而,不要被使用的简单或构造的简单 数千兆赫的带宽且有几个100皮秒或更±4V(直流+交流峰值)。换句话说你 所蒙骗,高质量的无源探头很少有简荦快的上升时间。 不能象使用一根无源探头一样,测量从 的设计 有源电压探头。有源探头通常包含有源毫伏到数十伏特的信号,并且有源探头 无源电压探头可用于各种各样的衰减因器件,例如晶体管。通常,有源设备是可能在无意中测试高电压时损坏。他们 子可用.1X,10X,100X,他们为了不同 只场效应晶体管(HET)。场效应管输甚至可能校静电损坏。然而,场效应品 入的优点是它提供一个很低的输入电容,体管探头的高带宽是其主要的优点,其 的电压范围而设计 典型值小于1pF有一些特定的场合需要线性电压范围已经包含典型的半导体系 列电压值。有源的场效应晶体管探头,常 用于低电压信号的测量,包括射极耦合 逻辑、GaAs、及其它的快速逻辑系列
新 术 语 时域反射计( TDR )－一种测量技术，将一个快速脉 冲加于信号传输路径，测量脉冲的反射，以分析测 定传输路径的故障或失谐的位置和类型。 不同探头的好处 作为一篇前言而讨论各种各样的常用探 头的类型，认识到探头类型常有重叠，是 非常重要的。当然一根电压探头只敏感 电压，但是一根电压探头可以是一根无 源探头或一根有源探头。同样，差分探 头是电压探头的一种特殊类型，并且差 分探头也可以是有源或无源探头。其中， 将适当指出这些探头之间重叠的关系。 无源电压探头。无源探头由电线和接头 组成，并且，当需要补偿或衰减时，还 有电阻器与电容器。探头没有有源的部 件-晶体管或放大器，并且不需供电源给 探头。因为他们相对简单，无源探头趋 于是最粗劣且最经济的探头。他们易于 使用并且也是探头中最广泛地被使用的 类型。 然而，不要被使用的简单或构造的简单 所蒙骗，高质量的无源探头很少有简单 的设计！ 无源电压探头可用于各种各样的衰减因 子可用- 1X ， 10X ，100X，他们为了不同 的电压范围而设计。 因此，无源电压探头最通常是使用10X探 头，并且作为示波器的一个代表性的标 准附件。对于信号振幅是1伏特或小于1 伏特的峰峰值的应用，一个1X 探头是更 适当或者所说更必要的。 信号中有低振幅信号及中等振幅信号( 几 十伏特或几十毫伏)的混合，则一根 1X/ 10X 可切换探头是非常便利的。 然而，应该记住，一根可变换的 1X/10X 探头本质上是在一起的2根不同的探头。 不仅是他们有不同的衰减因子，他们的 带宽、上升时间及阻抗( R 与 C )特征也 是不同的。 其结果是，这些探头将不确切地匹配示 波器的输入，并且将不能提供标准的10X 探头的最适宜的性能。大多数的无源探 头设计为普通的示波器的应用。因此，他 们的带宽典型范围从不到 1 0 0 兆赫延伸 到 500 兆赫以上。有一种提供更高带宽 的无源探头，被称为 50W探头， Zo探头， 或者分压器探头。这些探头设计为在 50W 环境下使用，它典型的应用是高速 设备，微波通信，及时域反射计( TDR)。 一个用于如此应用的典型的 50W探头有 数千兆赫的带宽且有几个 100 皮秒或更 快的上升时间。 有源电压探头。有源探头通常包含有源 器件，例如晶体管。通常，有源设备是 一只场效应晶体管( FET )。场效应管输 入的优点是它提供一个很低的输入电容， 典型值小于1pF。有一些特定的场合需要 极低的电容。首先，回想一下，低值电 容， C ，转换为高值的容抗， X C 。这可 从 X C 的公式看出，它是： 既然容性电抗是一个探头的主要的输入 阻抗元件，一个低值的 C 意味着高输入 阻抗。有源的场效应管探头一般具有从 500 兆赫至高达 4 GHz 的带宽。 除了更高的带宽，有源场效应管探头的 高输入阻抗，允许在测量点进行未知阻 抗的测量，它具有更小的对负载的影响。 另外，既然低电容减小了地线的影响，就 可以使用更长的地线。然而，最重要的 方面是，场效应晶体管探头提供很低的 负载，使他们能够用于使用无源探头将 带来严重负载的高阻抗电路。 既然具备如此高的性能，比如直流到 4GHz 宽的带宽，你可能会说：那为什么 还要无源探头？回答是有源探头没有无 源探头那样的电压动态范围。有源探头 的线性动态范围通常是从± 0.6 V 到± 10V。同样，他们能承受的最大电压小于 ± 40V (直流 + 交流峰值)。换句话说你 不能象使用一根无源探头一样，测量从 毫伏到数十伏特的信号，并且有源探头 可能在无意中测试高电压时损坏。他们 甚至可能被静电损坏。然而，场效应晶 体管探头的高带宽是其主要的优点，其 线性电压范围已经包含典型的半导体系 列电压值。有源的场效应晶体管探头，常 用于低电压信号的测量，包括射极耦合 逻辑、GaAs、及其它的快速逻辑系列。 13 X C = 1 2pfc
差分探头。差分信号是相互作为参考,而的问题。一个问题是,有2个长并且分实际大。而差分探头是使用差分放大器 不是以地为参考。图23是差分信号的离的信号路径通过探头及每个示波器通使2个信号相减,由示波器的一个通道测 几个例子。包括集电极负载电阻器两端道。这些路径之间的任何延迟差别将导量出差分信号(如图24b)。这就提供了 电压信号,磁盘驱动器读通道信号,多致2个信号时间上的扭曲。在高速信号在更宽的频率范围上的共模抑制比 相电源系统,及许多其它本质上“浮”于时,这一扭曲能导致确定差分信号时产(CMR)性能的充分提高。由于电路技 地上状态的信号。 生重大的的振幅及定时错误。为了使这术的进步,差分放大器已经可以做到实 差分信号以探头测量有两个基本的方法。种影响减到最小,应该使用匹配的探头。际的探头上 两种方法在图24中说明 单端测量的另外的问题是,他们不能提在最新的差分探头中,例如 Tektronix 个常用方法是使用2根探头做2个单供足够的共模噪声抑制,。许多小电压信P024,.达到1G出的带宽,共模抑制比 端信号测量,如图24a所示 号,例如磁盘读通道信号,被差分地传CMR)性能达到1MH时60dB00 送以便于共模噪声的抑制及处理。共模1GHz时30dB(32-])。这种带宽/共模抑 它也通常是做差分测量时,人们最先想噪音是由于附近的时钟线或外部噪声源制比CMR性能在磁盘驱动器读写率 列的测量方法。因为双通道示波器有2例如荧光灯引起的加于两个信号上的噪达到或超过100兆赫时,正变得越来越 根探头是可用的,此方法经常被使用。将 音。在一个差分系统中,这个共模噪声重 所有的信号与地(单端)进行测量,使用应当从差分信号中减去。成功的做法就高压探头。术语“高压”是相对的。半 示波器的数学功能,信号从一个通道减要涉及共模抑制比(CMR)。 去另一个通道(通道A减通道B的信号), 导线行业中的高压对于电力行业中的高 看起来非常完美的完成了对差分信号的因为通道的差别,单端测量时的共模抑压而言,是非常小的。然而,从探头的 测量。对于低频信号,并且差信号幅度制比(CMR)性能随着频率的增加,快角度,我们可以定义高压为:任一超过 足够大,不会淹没于噪声的情况也许适速下降至非常低的水平。如果源的共模典型通用的10X无源探头安全使用的电 用。但是这种测量方法将会有一些可能抑制特性不变,测量到的信号噪音比其压 CIsk Read Head Preamp Differential Probe 图23.差分信号源的一些例子 图2-4.差分信号能用一双通道示波器的转换来计算(,或更使用差分探头获 Differential Signal 得更好测量结果(b)
差分探头。差分信号是相互作为参考，而 不是以地为参考。图 2-3 是差分信号的 几个例子。包括集电极负载电阻器两端 电压信号，磁盘驱动器读通道信号，多 相电源系统，及许多其它本质上“浮”于 地上状态的信号。 差分信号以探头测量有两个基本的方法。 两种方法在图 2-4 中说明。 一个常用方法是使用 2 根探头做 2个 单 端信号测量，如图 2-4a 所示。 它也通常是做差分测量时，人们最先想 到的测量方法。因为双通道示波器有 2 根探头是可用的，此方法经常被使用。将 所有的信号与地(单端)进行测量，使用 示波器的数学功能，信号从一个通道减 去另一个通道(通道A减通道 B 的信号)， 看起来非常完美的完成了对差分信号的 测量。对于低频信号，并且差信号幅度 足够大，不会淹没于噪声的情况也许适 用。但是这种测量方法将会有一些可能 的问题。一个问题是，有 2 个长并且分 离的信号路径通过探头及每个示波器通 道。这些路径之间的任何延迟差别将导 致 2 个信号时间上的扭曲。在高速信号 时，这一扭曲能导致确定差分信号时产 生重大的的振幅及定时错误。为了使这 种影响减到最小，应该使用匹配的探头。 单端测量的另外的问题是，他们不能提 供足够的共模噪声抑制。许多小电压信 号，例如磁盘读通道信号，被差分地传 送以便于共模噪声的抑制及处理。共模 噪音是由于附近的时钟线或外部噪声源 例如荧光灯引起的加于两个信号上的噪 音。在一个差分系统中，这个共模噪声 应当从差分信号中减去。成功的做法就 要涉及共模抑制比( CMRR )。 因为通道的差别，单端测量时的 共模抑 制比（CMRR）性能随着频率的增加，快 速下降至非常低的水平。如果源的共模 抑制特性不变，测量到的信号噪音比其 实际大。而差分探头是使用差分放大器 使2个信号相减，由示波器的一个通道测 量出差分信号(如图 2-4b )。这就提供了 在更宽的频率范围上的共模抑制比 （CMRR）性能的充分提高。由于电路技 术的进步，差分放大器已经可以做到实 际的探头上。 在最新的差分探头中，例如 Tektronix P6247 , 达到1-GHz 的带宽，共模抑制比 (CMRR) 性能达到1 MHz 时60 dB (1000:1), 1 GHz时 30 dB (32:1)。这种带宽/ 共模抑 制比 (CMRR) 性能在磁盘驱动器读/写率 达到或超过 100 兆赫时，正变得越来越 重要。 高压探头。术语“高压”是相对的。半 导线行业中的高压对于电力行业中的高 压而言，是非常小的。然而，从探头的 角度，我们可以定义高压为：任一超过 典型通用的 10X 无源探头安全使用的电 压。 图 2-4. 差分信号能用一双通道示波器的转换来计算(a)，或更使用差分探头获 得更好测量结果(b)。 图 2-3. 差分信号源的一些例子。 14 Differential Signal Disk Read Head Preamp 3 CH1-CH2 Differential Probe
常用无源探头的最大测量的电压大约在力,这些测量可能包括瞬时功率,有效的因素。带宽最大可以达到1GH,但大 400~500伏特附近(直流+交流峰值)。功率,视在功率,及相位。基本的示波多数带宽低于100兆赫 另一方面,高压探头能测量的电压最大器的电流探头有两种类型。交流电流探通常,对于交流探头也有一低频截止带 高达20,000伏特。有这样的探头的一头,它通常是无源探头,及ACDC电流 宽。这包括直流,既然直流不引起磁场 个例子,如图2-5所示。安全是高电压探头,它通常是有源探头。两种类型都 的变化,这样就不能引起变压器的感应。 探头和测量的一个特别重要的方面 应用变压器原理,传感导线中的交流电。 同样在频率很接近直流时如001赫兹, 为满足这一要求,许多高电压探头有比对于变压器效应,首先必须是交流电流磁场没有足够快的变化而使变压器感知 正常探头长的电缆线。典型的电缆线长通过导线。这一交流电引起与电流流动不到。这样,只要低频到达变压器的作 度是3米。这通常满足于将示波器置于的振幅和方向相关的磁场。当线圈置于用域,就会在探头的带宽内产生可测量 安全柜或安全屏蔽之外时的使用。选择磁场时,如图2-6所示,变化的磁场通的输出 8米电缆线可用于示波器操作需要更加过简单的变压器效应感应电压 此外,还取决于探头的线圈的设计,带 离高电压源的情况 这种变压器效应是电流探头的基础。交宽的低频截止可能是低至05HZ或高 电流探头。电流通过导线引起导线周围流探头的头也确实就是一个线圈,它精12Hz 电磁场的形成。电流探头感应这一场的密地缠绕在磁铁芯上。当以特定的方向 对于带宽起始于接近直流的探头,霍耳 强度,并且转换为电压信号由示波器测持有探头并接近通过交流电的导线时 效应器件可以被加于探头,来检测直流 量。这允许你用示波器观察并分析电流探头输出一个与导线中电流已知比例的电。ACDC探头带宽始于直流并且延伸 波形。与一台示波器组合进行电压测量线性电压,这一相关电压能在一台示波至带宽3出点处。这类探头要求有电源 时,电流探头也允许你用于各种的功率器上作为电流波形被显示出来。电流探作为霍耳效应器件的偏流,用于直流检 测量。取决于示波器的波形数学处理能头的带宽取决于探头线圈的设计和其他测。 Fu Fd 图2-5.P6015A能测量高达20K的直流电及40kV脉冲,具有75兆赫的带宽。图26线圈置于通过交流电的导线周围,并由磁场感应到电压。 15
常用无源探头的最大测量的电压大约在 400～500 伏特附近(直流 + 交流峰值)。 另一方面，高压探头能测量的电压最大 高达 20，000 伏特。有这样的探头的一 个例子，如图 2-5 所示。安全是高电压 探头和测量的一个特别重要的方面。 为满足这一要求，许多高电压探头有比 正常探头长的电缆线。典型的电缆线长 度是3 米 。这通常满足于将示波器置于 安全柜或安全屏蔽之外时的使用。选择 8 米电缆线可用于示波器操作需要更加 远离高电压源的情况。 电流探头。电流通过导线引起导线周围 电磁场的形成。电流探头感应这一场的 强度，并且转换为电压信号由示波器测 量。这允许你用示波器观察并分析电流 波形。与一台示波器组合进行电压测量 时，电流探头也允许你用于各种的功率 测量。取决于示波器的波形数学处理能 力，这些测量可能包括瞬时功率，有效 功率，视在功率，及相位。基本的示波 器的电流探头有两种类型。交流电流探 头，它通常是无源探头，及 AC/DC 电流 探头，它通常是有源探头。两种类型都 应用变压器原理，传感导线中的交流电。 对于变压器效应，首先必须是交流电流 通过导线。这一交流电引起与电流流动 的振幅和方向相关的磁场。当线圈置于 磁场时，如图 2-6 所示，变化的磁场通 过简单的变压器效应感应电压。 这种变压器效应是电流探头的基础。交 流探头的头也确实就是一个线圈，它精 密地缠绕在磁铁芯上。当以特定的方向 持有探头并接近通过交流电的导线时， 探头输出一个与导线中电流已知比例的 线性电压，这一相关电压能在一台示波 器上作为电流波形被显示出来。电流探 头的带宽取决于探头线圈的设计和其他 的因素。带宽最大可以达到1 GHz，但大 多数带宽低于 100 兆赫。 通常，对于交流探头也有一低频截止带 宽。这包括直流，既然直流不引起磁场 的变化，这样就不能引起变压器的感应。 同样在频率很接近直流时，如 0.01 赫兹， 磁场没有足够快的变化而使变压器感知 不到。这样，只要低频到达变压器的作 用域，就会在探头的带宽内产生可测量 的输出。 此外，还取决于探头的线圈的设计，带 宽的低频截止可能是低至 0.5 Hz 或高达 1.2kHz。 对于带宽起始于接近直流的探头，霍耳 效应器件可以被加于探头，来检测直流 电。AC/DC探头带宽始于直流，并且延伸 至带宽3 dB 点处。这类探头要求有电源 作为霍耳效应器件的偏流，用于直流检 测。 图2-5. P6015A 能测量高达 20 Kv的直流电及40 kV脉冲，具有 75兆赫的带宽。 图 2-6. 线圈置于通过交流电的导线周围，并由磁场感应到电压。 15