本應用筆記介紹了示波器探頭如何更改您在測試點測量的信號，以及要尋找哪些探測規(guī)范以最大程度地減少探測效果。用戶經(jīng)常忘記或忽略的一個測量陷阱是探針加載的影響。最終，您需要選擇符合以下條件的示波器探頭:

忠實地將信號從被測設備傳輸?shù)绞静ㄆ?/span>

這意味著您要選擇一個盡可能少地改變測試點信號的探頭

圖1.探頭輸入規(guī)格.

如果我將15 pF的電容器從電路中的隨機位置焊接到地面，您會期望電路的行為有所不同嗎？你當然會.因為示波器探頭具有電容、電阻和電感，所以它會影響您正在測量的信號，并可能影響電路的操作。為了在示波器上產(chǎn)生電壓波形，探針尖端將汲取一些電流; 它是導電的。由于探針尖端必須汲取一些電流，因此會干擾或加載電路。有兩種與加載電路的探針有關的探針規(guī)格，這些負載因素是輸入電阻和輸入電容。圖1中示出了探頭輸入阻抗數(shù)據(jù)表規(guī)格的示例以及如何對這些規(guī)格進行建模的示例。

圖2.輸入電阻規(guī)格。

輸入電阻規(guī)格

讓我們首先研究輸入電阻規(guī)格。探頭和示波器輸入電阻將降低被測信號的幅度，如圖2右側(cè)波形所示。加載信號的波形形狀將非常類似于源信號，但是幅度將改變。源信號的幅度降低多少通常取決于源電阻，因為大多數(shù)隨示波器提供的無源探頭具有非常大的10 m Ω 輸入電阻。

探頭的輸入電阻與示波器的輸入電阻相結合，使測量系統(tǒng)像分壓器一樣工作。在等式1中示出了對輸入電阻的影響的計算。

公式1.輸入電阻計算。

公式2.實際輸入電阻計算。

理想情況下，Vmeas將等于V來源因為測試點處的信號將保持不變。在現(xiàn)實中，探頭和示波器的輸入電阻會對被測幅度產(chǎn)生一些影響。為了最小化電阻負載，探針通常具有大的輸入電阻，并且對于大多數(shù)應用，探頭的輸入電阻不太可能導致顯著的探頭負載，因為大多數(shù)與示波器一起提供的10X無源探頭具有10 m Ω 的輸入電阻。等式2示出了系統(tǒng)的大輸入電阻如何對電路造成非常小的負載或干擾。

圖3.測試設置，顯示了測試點處的探針加載。

如公式2所示，測量系統(tǒng)的大10mΩ 輸入電阻對測量信號的影響很小。在該示例中，在4.9995v處計算測量信號，其是5 v源信號的99.99%。回顧方程式和模型有助于提供輸入電阻的學術概述，但是查看探針加載影響的**方法是顯示測試點處的信號如何變化。圖3顯示了使用具有50Ω 源電阻的電壓源、測試夾具和示波器的測試設置。測試夾具具有焊接到其上的200Ω 電阻器和可變電容器。您可以清楚地看到測試夾具直接連接到示波器，測試夾具的輸出連接到通道1。此設置旨在顯示測試點發(fā)生的情況，并觀察探針加載的影響。示波器顯示測試夾具的輸出，而不是探頭的輸出。

圖4.電阻負載的影響。

在10 m Ω 的情況下，很難看到DUT處的輸入電阻的影響。為了了解輸入電阻如何影響測試點處的信號，圖4顯示了焊接到測試夾具中以夸大效果的200Ω 電阻器的效果。參考波形是源信號，通道1是由200Ω 電阻器的輸入電阻加載的源信號。打開測量以觀察參考波形和加載波形的幅度和上升時間。加載波形的波形形狀與源信號的上升時間相似，但幅度已減小。

輸入電容規(guī)格

在為其應用選擇合適的探頭時，大多數(shù)用戶通常會查看探頭的帶寬、動態(tài)范圍，甚至輸入電阻規(guī)格。在評估探頭的負載特性時，大多數(shù)用戶會看到10 m Ω 的輸入電阻值，并得出結論認為探頭具有足夠的負載能力。一個關鍵的探頭規(guī)格幾乎總是被忽視的是探頭的輸入電容。當測量較低頻率的信號時，探針的電容具有非常高的電抗，并且探針負載沒有那么多。然而，隨著測量信號的頻率增加，電容性電抗減小。在較高的頻率下，探針的阻抗降低，導致更大的探針負載。探頭的輸入電容越大，當測量頻率增加時，它對電路的干擾或負載就越大。

圖5.輸入電容.

輸入電容的影響顯示在圖5右側(cè)的波形上。與源信號相比，受較大輸入電容值影響的波形具有圓角的前角。大電容值的后果是嚴重的，因為信號的前沿包含高頻成分。當這一關鍵信號內(nèi)容受到損害時，人們不得不質(zhì)疑測量結果是否可靠。選擇探頭時，用戶需要確定具有最低輸入電容的探測解決方案。

公式3.輸入電容計算。

使用來自圖5的簡單模型，一階方程示出較大的輸入電容將導致顯著較慢的上升時間和較低的帶寬。基于等式3中的上升時間計算，在較大的輸入電容和較慢的上升時間之間存在明顯的關系。

圖6.電容負載的影響。

使用圖3的測試設置，焊接到測試夾具中的可變電容器現(xiàn)在將連接到信號帶狀線，以顯示探針輸入電容的影響。在將可變電容器調(diào)整到50 pf的情況下，電容性負載的影響如圖6所示。再一次，源信號被示為標識為R1的參考波形，并且通道1是測試夾具的輸出，其是由可變電容器加載的波形。

測量結果表明，參考波形與加載波形之間的幅度和升高存在差異。電容負載的影響是顯而易見的。前沿已經(jīng)退化，上升時間明顯變慢，并且存在較小的相移。

圖7.來自Agilent無源探頭的探頭負載，輸入電容為9.5 pF。

圖8.來自Tektronix無源探頭的探頭負載，輸入電容為3.9 pF。

示波器附帶的無源探頭如何加載信號？

前面部分中的測試設置使用簡單的電阻和電容組件來隔離輸入電阻和輸入電容的影響。現(xiàn)在讓我們將注意力轉(zhuǎn)向由一些隨示波器一起提供的無源探頭引起的輸入電容的影響。

讓我們首先檢查安捷倫無源探頭的加載效果，該探頭與示波器一起標準發(fā)貨。該探頭具有許多用戶正在尋找的規(guī)格: 500 MHz帶寬，300 V CAT II動態(tài)范圍和10 m Ω 輸入電阻。該探頭還具有9.5 pF的輸入電容，可與其他供應商提供的無源探頭相媲美。使用與圖3相同的測試設置，將Agilent無源探頭連接到測試夾具，如圖7左上角所示。探針尖端被施加到信號路徑，并且短接地彈簧接地。輸入電容的影響是明顯的。圖7中加載波形的前角被降級，上升時間明顯變慢。您現(xiàn)在測量的信號看起來與原始源信號非常相似。當信號通過探頭電纜到達探頭的補償盒并最終到達示波器時，該劣化信號將進一步改變。該測試信號必須由探頭和示波器重建，以使其看起來像原始信號。當您執(zhí)行重要的電路驗證時，這種負載或干擾將產(chǎn)生不利影響。

由于電容負載的不利影響，泰克包括一系列新的無源探頭及其示波器，具有業(yè)界**的3.9 pF輸入電容。這些產(chǎn)品是TPP1000、TPP0500B和tpp0250。將TPP0500B連接到測試夾具如圖8所示，具有低輸入電容的探頭的好處是顯而易見的。通道1上的信號是加載的波形，幾乎與源信號相同。此外，加載波形的上升時間受到的影響最小。再一次，你想用一個傷害較小的探頭進行測量，這意味著它只會對你測量的信號產(chǎn)生最小的影響。泰克的低電容無源探頭幾乎提供了有源探頭的探頭負載優(yōu)勢。

圖9.使用Agilent和Tektronix無源探頭的電容負載比較。

圖9比較了安捷倫標準探針與泰克TPP0500B的電容負載。差異是戲劇性的。在當今世界，信號具有更快的邊緣和更緊密的利潤，因此設計人員必須努力建模，運行仿真并驗證設計。當您在設計過程中花費大量時間和精力時，您不想對測量系統(tǒng)進行第二次猜測，也不想因為測量不準確而花費額外的時間進行故障排除。在這種情況下，人們將不得不質(zhì)疑探針負載的影響是否是驗證設計的薄弱環(huán)節(jié)。

圖10.電容性負載可能會影響電路運行.

探針的負載影響不僅可能導致測量不準確，而且還可能影響電路操作。在圖10所示的示例中，探頭的大輸入電容導致信號無法滿足關鍵的設置和保持時間要求。您還可以看到降級的前沿或振鈴如何導致反射，從而損害信號保真度。當你驗證你的設計時，你最不想做的就是與測試設備作斗爭。通過選擇具有低輸入電容的探針來選擇將引起較少干擾的探針是至關重要的。

探針負載如何影響您的測量

結論

選擇探頭時，用戶將首先查看被認為是帶寬和動態(tài)范圍的橫幅規(guī)格。知識淵博的用戶甚至可以檢查輸入電阻，以確保它是一個大值。然而，經(jīng)常被忽視的關鍵規(guī)格是探針的輸入電容。使用具有較小輸入電容的探針很重要，因為它將導致較少的干擾或負載。