隨著高速串行信號(hào)的速率越來(lái)越快，對(duì)示波器和探頭的要求也越來(lái)越高，有些工程師雖然用了很高帶寬的示波器觀測(cè)信號(hào)，但是，使用示波器測(cè)試過(guò)程中卻無(wú)法得到正確的波形。問(wèn)題出在哪里？原因很可能是探頭使用不正確，如果探頭性能不佳或使用方法不正確，就可能導(dǎo)致無(wú)法正確完成測(cè)試，本文將詳細(xì)介紹探頭原理、探頭的類(lèi)型、探頭選擇和使用、探頭的注意事項(xiàng)等。

一. 什么是探頭？

    探頭是儀器與待測(cè)電路之間連接的導(dǎo)體，可能是：一段導(dǎo)線(xiàn)、電纜、傳感器、探頭等。示波器探頭是把測(cè)試信號(hào)傳送到示波器通道的連線(xiàn)，當(dāng)接上探頭，探頭就成為電路的一部分，信號(hào)頻率使其形成的電阻、電容和電感性負(fù)載。因此，針對(duì)不同的應(yīng)用，應(yīng)正確地選擇探頭，使負(fù)載效應(yīng)小，信號(hào)才能得到精準(zhǔn)的復(fù)現(xiàn)。

    探頭的定義：從待測(cè)電路獲取小的能量，并以大的信號(hào)保真度傳送至測(cè)試儀器的設(shè)備。正確的選擇探頭可以擴(kuò)展示波器的的功能，而錯(cuò)誤的使用探頭會(huì)降低示波器的測(cè)試能力，甚至導(dǎo)致人員安全問(wèn)題。

二. 為什么要用探頭？

     示波器作為電子工程師常用的時(shí)域測(cè)量?jī)x器之一，如何把被測(cè)信號(hào)正確并安全地引到示波器的通道上？示波器探測(cè)信號(hào)，一般有兩種連接方式，一種是利用同軸電纜把被測(cè)信號(hào)接到示波器的通道，第二種是利用探頭把測(cè)試信號(hào)接到示波器的通道。大部分工程師在做電路調(diào)試的過(guò)程中，無(wú)法利用同軸電纜把被測(cè)信號(hào)接到示波器的通道，一般會(huì)利用探頭把被測(cè)信號(hào)傳送到示波器的通道；另外有些一致性測(cè)試也無(wú)法利用同軸電纜把被測(cè)信號(hào)接到示波器的通道，例如：DDR測(cè)試、MIPI測(cè)試等，同時(shí)需要利用多個(gè)探頭把被測(cè)多路信號(hào)引到示波器的通道完成測(cè)試。因此探頭對(duì)測(cè)試至關(guān)重要。如果沒(méi)有探頭，很多信號(hào)將無(wú)法完成測(cè)量。探頭是在被測(cè)信號(hào)和示波器的輸入通道之間的橋梁。因此，如何使用正確使用探頭，對(duì)于更好地使用示波器測(cè)試來(lái)說(shuō)非常重要。如何正確選擇和使用探頭成為工程師們要面對(duì)的一大難題！

    探頭是將被測(cè)信號(hào)輸入到示波器通道，探頭對(duì)于測(cè)試非常重要。使用探頭時(shí)首先要考量的是人員的安全問(wèn)題，特別測(cè)試高壓和大電流時(shí)；其次要保證測(cè)試的精度，接入探頭必然會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生影響，正確選擇和使用探頭，降低探頭對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來(lái)的影響，提高信號(hào)保真度。

三. 探頭的分類(lèi)

    示波器的探頭類(lèi)型：電壓探頭、邏輯探頭、電流探頭、溫度探頭、傳感器、光電探頭等。其中電壓探頭是工程師使用多的示波器探頭。電壓探頭分為無(wú)源探頭和有源探頭。有源探頭分：?jiǎn)味颂筋^、差分探頭、三模探頭等類(lèi)型。

電壓探頭：大多數(shù)示波器的探頭是電壓傳感器，探測(cè)電壓信號(hào)并傳送到示波器通道中；

電流探頭：利用霍爾效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量電路周?chē)艌?chǎng)的變化來(lái)得到電流信號(hào)，并傳送到示波器輸入端；

光電探頭：探測(cè)光信號(hào)，并將光信號(hào)變換為電壓信號(hào)，然后輸入到示波器通道；

溫度、機(jī)械等傳感器：用于測(cè)量不同的現(xiàn)象；

數(shù)字邏輯探頭：用于探測(cè)多路并行的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析功能。

有源電源軌探頭：測(cè)量 DC 電源軌上的紋波而設(shè)計(jì)的低噪聲、大偏置范圍的電壓探頭。

光隔離探頭：采用創(chuàng)新的光隔離技術(shù)，IsoVu 光隔離探頭在被測(cè)器件和示波器之間實(shí)現(xiàn)了全面電流隔離。

四. 電壓探頭電路結(jié)構(gòu)

4.1 1X無(wú)源電壓探頭：優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有衰減和價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是：高反射量、電容大、帶寬低。

4.2 10X無(wú)源電壓探頭

4.3 50歐姆的10X無(wú)源電壓探頭

4.4 10X有源電壓探頭

4.5 有源差分電壓探頭

    有源差分探頭結(jié)構(gòu)如下圖，通過(guò)差分探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用50歐姆輸入阻抗。差分探頭帶寬非常高，目前業(yè)內(nèi)高帶寬可達(dá)33GHz，但是價(jià)格相對(duì)較高，動(dòng)態(tài)范圍也較小，比較脆弱。高帶寬差分探頭適合測(cè)試高速差分信號(hào)。

五.什么是電源軌探頭？

    電源軌探頭專(zhuān)門(mén)為精準(zhǔn)測(cè)量電源的紋波和噪聲設(shè)計(jì)的探頭。現(xiàn)代電子產(chǎn)品的功能越來(lái)越多、密度越來(lái)越高、開(kāi)關(guān)速度越來(lái)更快，正推動(dòng)著對(duì)更低的供電電壓的需求。工程師需要查找高頻干擾信號(hào)，測(cè)量更小的紋波，更大帶寬的電源噪聲，示波器通常沒(méi)有足夠的偏置把DC上的噪聲和紋波移到屏幕中心來(lái)進(jìn)行測(cè)量。泰克的TPR1000 和 TPR4000電源軌探頭提供了低噪聲、高帶寬及60V大偏置范圍來(lái)探測(cè)DC電源的噪聲和紋波。

六. 什么是光隔離探頭？

    IsoVu 光隔離探頭采用光電傳感器，把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成光調(diào)制，在電氣上把被測(cè)器件與示波器隔開(kāi)。IsoVu探頭采用4個(gè)單獨(dú)的激光器、一個(gè)光傳感器、5條光纖及完善的反饋和控制技術(shù)。IsoVu結(jié)構(gòu)及電流隔離技術(shù)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)提供了大于2000Vpeak的耐受電壓。IsoVu光隔離探頭可以支持幾千伏的電壓上限。由于采用創(chuàng)新的光隔離技術(shù)，IsoVu光電隔離探頭在被測(cè)器件和示波器之間實(shí)現(xiàn)了全面電流隔離。IsoVu光電隔離探頭在100MHz以下時(shí)提供了1000000:1的共模抑制比，在1GHz以下時(shí)提供了10000:1的共模抑制比，且在頻率提高時(shí)其額定值不會(huì)下降。

IsoVu 探頭的優(yōu)勢(shì)

    IsoVu 技術(shù)使用光纖供電和光模擬信號(hào)路徑，在測(cè)量系統(tǒng)和DUT之間實(shí)現(xiàn)完全光電隔離。這種隔離的重要優(yōu)勢(shì)是允許探頭在共模電壓下獨(dú)立浮動(dòng)。

160dB(100,000,000:1)CMRR@DC

100MHz時(shí)高達(dá)120dB (1,000,000:1)CMRR

1GHz時(shí)高達(dá)80dB(10,000:1)CMRR

±60kV 共模電壓范圍

高達(dá)±2500V差分輸入電壓范圍

高達(dá)±2500V偏置范圍

IsoVu 探頭主要應(yīng)用

    在傳統(tǒng)硅器件中， 開(kāi)關(guān)速度不是太快，普通差分探頭就能觀測(cè)到信號(hào)。但是GaN和SiC 這樣的復(fù)合半導(dǎo)體對(duì)傳統(tǒng)探頭來(lái)說(shuō)速度太快了，開(kāi)發(fā)復(fù)合半導(dǎo)體器件時(shí)，需要IsoVu光隔離探頭探測(cè)信號(hào)。

? 使用SiC或GaN、FET或IGBT的半/全橋設(shè)計(jì)

? 浮動(dòng)測(cè)量

? 功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

? 電源設(shè)備評(píng)估

? 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

? 逆變器設(shè)計(jì)

? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

? 電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)

? EMI 和 ESD 故障排除

IsoVu 探頭主要指標(biāo)參數(shù)

七.什么是三模探頭？

    高速串行信號(hào)都采用在較高的共模電壓上使用小電壓擺幅的邏輯電平。由于差分信號(hào)的特點(diǎn)，串行標(biāo)準(zhǔn)往往規(guī)定一致性測(cè)試需包含：差分、單端、共模測(cè)試。測(cè)差分信號(hào)，一般需要利用差分探頭，測(cè)單端信號(hào)一般利用單端探頭(也可以利用差分探頭)，測(cè)共模信號(hào)，一般利用兩根單端探頭，雖然差分探頭可用于單端、差模和共模測(cè)量，但是每一種測(cè)量模式中，探頭到DUT 的物理連接都不一樣。TriMode三模探頭有差分、單端、共模三個(gè)工作模式，只要一次連接，就可以完成差分、單端、共模三種測(cè)試。

TriMode三模探頭的佳用法

為了充分利用TriMode探頭的優(yōu)點(diǎn)，盡量遵循下述佳做法：

為保證完成測(cè)試，一定要檢查并確定探頭工作在正確的工作模式；

在接入示波器的探頭柄的上部和端部，都有輸入模式的指示燈，通過(guò)觀察指示燈可以快地選擇輸入模式；

如果要使用完整的TriMode功能，則必須連接A，B 和一個(gè)接地端；

選擇適當(dāng)?shù)腡riMode探測(cè)前端來(lái)完成測(cè)試需求；

TriMode 三模探頭型號(hào)

八. 有源探頭的連接前端

    如何與測(cè)試點(diǎn)的物理連接是探測(cè)的關(guān)鍵之一。利用探頭探測(cè)信號(hào)，探頭的前端方便地進(jìn)行物理連接，根據(jù)測(cè)試應(yīng)用和需求，選擇與DUT相適應(yīng)的探頭前端適配器去探測(cè)信號(hào)，以達(dá)到佳的探測(cè)效果以及探測(cè)快捷和方便。目前，高帶寬有源探頭都采用分離式的設(shè)計(jì)方法，把探頭放大器(探頭的主體)與探頭前端分開(kāi)，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)如下：

1、可更換和支持不同探測(cè)前端，使得探測(cè)信號(hào)更加靈活和方便，滿(mǎn)足不同的測(cè)試需求;

2、節(jié)省成本，保護(hù)投資，探頭貴的部分是探頭主體放大器(一個(gè)探頭放大器可支持多種不同的探測(cè)方式)，同時(shí)探頭前端附件適配器可以保護(hù)探頭放大器，如果探頭前端附件被損壞，方便更換，并且價(jià)格也相對(duì)便宜。

探頭探測(cè)前端類(lèi)型：

1. 點(diǎn)測(cè)探頭附件(單端和差分點(diǎn)測(cè));

2. 焊接前端附件(單端焊接和差分焊接);

3. 同軸電纜SMA/292mm或SMP探頭前端(HDMI測(cè)試，需要使用292mm探頭前端)；

4、插孔和探針附件;

九. 電壓探頭的主要指標(biāo)

9.1 探頭的帶寬和上升時(shí)間

    探頭也有帶寬，探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)幅度下降到-3dB對(duì)應(yīng)的截止頻率。探頭配合示波器一起使用，還需要考慮示波器的帶寬，這種系統(tǒng)帶寬決定著整體測(cè)試帶寬。

    上升時(shí)間通常利用10% 至 90% 階躍響應(yīng)時(shí)間，表征探頭從前端到后端測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)間。為在更精準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)上升時(shí)間或下降時(shí)間，探頭和示波器組成的測(cè)試系統(tǒng)的上升時(shí)間應(yīng)該比被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間快3至5倍。

9.2 探頭的動(dòng)態(tài)范圍和偏置

    探頭的輸入動(dòng)態(tài)范圍：探頭所能測(cè)試的在示波器屏幕中心線(xiàn)上下的電壓范圍，例如：±1.75V動(dòng)態(tài)輸入范圍的探頭，只能測(cè)量示波器屏幕中心線(xiàn)上下1.75V范圍內(nèi)的電壓，如果輸入信號(hào)波動(dòng)超出這個(gè)范圍，被測(cè)波形就會(huì)削波，但是探頭不一定會(huì)燒壞。

   偏置Offset：為了得到的瞬態(tài)響應(yīng)，輸入信號(hào)調(diào)整到探頭放大器的動(dòng)態(tài)范圍中心位置的范圍的能力。

    因此探頭的大測(cè)試電壓并不一定是動(dòng)態(tài)范圍，探頭的測(cè)試電壓范圍是動(dòng)態(tài)范圍加上偏置范圍，因此，利用探頭探測(cè)信號(hào)，測(cè)試信號(hào)要求在其動(dòng)態(tài)范圍和偏置電壓范圍內(nèi)。

9.3 探頭的不損壞輸入電壓

   探頭不損壞輸入電壓：探頭能承受且不損壞的輸入電壓范圍，如果輸入信號(hào)這個(gè)范圍，探頭就可能燒壞。

9.4  探頭輸入阻抗

    探頭輸入阻抗：探頭的輸入阻抗可分為輸入電阻和輸入電容，輸入阻抗隨頻率增高而減小，低頻下輸入阻抗主要由輸入電阻決定，高頻下輸入阻抗主要由輸入電容決定。

9.5 差分探頭的共模抑制比(CMRR)

    共模抑制比(CMRR)：差模增益Adm與共模增益Acm的比值。用以衡量差分探頭抑制輸入信號(hào)共模分量的能力。若Acm趨近于零，則CMRR趨近無(wú)限大，代表理想的差分放大器。如果差分探頭的CMRR指標(biāo)不好，則共模電壓會(huì)加入差模電，造成測(cè)量上的誤差，所以針對(duì)差分探頭，CMRR值越大越好 ，隨著頻率增加CMRR會(huì)逐漸減小。

9.6 探頭的衰減系數(shù)

    衰減系數(shù)：即探頭使輸入信號(hào)幅度減小倍數(shù)。典型的衰減系數(shù)有1X、2X、10X、50X、500X、1000X等，衰減倍數(shù)越高，可探測(cè)的大電壓越大。

9.7 探頭的傳輸延時(shí)和Deskew

    探頭的傳輸時(shí)延一般是4ns到8ns，不同探頭的差別很大，同類(lèi)型的探頭差別很小(一般小于200ps)。如果需要多個(gè)探頭同時(shí)測(cè)試時(shí)，例如DDR、MIPI、HDMI等測(cè)試，需要兩根、三根，甚至四根探頭同時(shí)探測(cè)，不同的探頭會(huì)造成不同的延遲，在測(cè)試之前，利用示波器 “Deskew”的功能來(lái)消除探頭之間的延遲差來(lái)提高測(cè)試精度。

十. 探頭地線(xiàn)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

    利用探頭探測(cè)DUT時(shí)，工程師可能會(huì)傾向于延長(zhǎng)探頭的地線(xiàn)，延長(zhǎng)地線(xiàn)可以一次連接地線(xiàn)，然后在查看各個(gè)測(cè)試點(diǎn)時(shí)在系統(tǒng)上移動(dòng)探頭。但是，延長(zhǎng)的地線(xiàn)增加的電感可能會(huì)導(dǎo)致快速轉(zhuǎn)換波形上出現(xiàn)振鈴，如下圖所示，它顯示了在使用不同探頭地線(xiàn)時(shí)進(jìn)行的波形測(cè)量結(jié)果。下圖說(shuō)明了由于典型測(cè)量裝置的電感變化，不同的接地技術(shù)對(duì)1ns上升時(shí)間脈沖的影響。探頭接地線(xiàn)要盡可能短和直。

十一. 如何進(jìn)行探頭的補(bǔ)償校準(zhǔn)

   在利用探頭探測(cè)信號(hào)過(guò)程中，很多工程師都是拿起示波器就開(kāi)始直接探測(cè)信號(hào)，大部分工程師會(huì)忘記要對(duì)示波器和探頭進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)，導(dǎo)致工程師走了很多彎路，測(cè)試結(jié)果和波形不準(zhǔn)確，浪費(fèi)大量的時(shí)間找不到是示波器的問(wèn)題還是被測(cè)電路本身的問(wèn)題？測(cè)試效率大大降低， 從而延緩產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度。如果利用探頭去探測(cè)信號(hào)，使用前要進(jìn)行探頭補(bǔ)償校準(zhǔn)，使探頭與示波器匹配，保證示波器系統(tǒng)的測(cè)量精度。因此，拿到有源探頭，先要補(bǔ)償校準(zhǔn)，有源探頭和示波器一次使用時(shí)需要補(bǔ)償校準(zhǔn)，如果換了示波器的不同通道測(cè)量時(shí)，也需要校準(zhǔn)。建議示波器開(kāi)機(jī)預(yù)熱30分鐘時(shí)間后進(jìn)行探頭校準(zhǔn)。

Step1.示波器SPC校準(zhǔn)

a. 移走示波器的所有探頭以及各種連接器和適配器；

b. 建議開(kāi)機(jī)后預(yù)熱30分鐘；

c.  點(diǎn)擊“Utility”下面的“Instrument Calibrate”;

d. 等待示波器的”Temperature status”由”Warm-up”為”Ready”后，點(diǎn)擊”Run SPC”,  大約需要10分鐘左右，SPC如果顯示顯示“Pass”，表示儀器正常，若顯示”Fail”，請(qǐng)確認(rèn)前面的步驟是否正確，確認(rèn)正確后再點(diǎn)擊Run SPC，若多次校準(zhǔn)都顯示”Fail”，則儀器已經(jīng)損壞，需要返修。

Step2. 探頭的校準(zhǔn)

a: 把探頭插到示波器的通道上，探頭的探測(cè)前端和探頭校準(zhǔn)夾具正確連接，夾具的BNC口通過(guò)BNC電纜與示波器的DC Probe Calibration校準(zhǔn)輸出連接，還需要給探頭校準(zhǔn)夾具供電，見(jiàn)下圖；

b: 點(diǎn)擊示波器中Vertical菜單下的“Probe Cal…”選項(xiàng)，見(jiàn)下圖；

c: 選擇對(duì)應(yīng)需要校準(zhǔn)的探頭所在通道，按下“Compensate Probe”按鈕，見(jiàn)下圖；

d: 查看探頭補(bǔ)償后的狀態(tài)，如果顯示"Compensated"狀態(tài)，說(shuō)明探頭校準(zhǔn)合格，如果Fail，說(shuō)明探頭有問(wèn)題，見(jiàn)下圖。

    關(guān)于各種探頭更詳細(xì)的補(bǔ)償校準(zhǔn)視頻和文章，可以參考本公眾號(hào)以前發(fā)布的文章《敲黑板！用了這么多年示波器探頭，還不知道如何補(bǔ)償校準(zhǔn)的，來(lái)補(bǔ)課啦！》

十二. 電壓探頭的使用步驟

Step1: 示波器預(yù)熱后做SPC補(bǔ)償；

Step2: 將探頭接到示波器通道上；

Step3: 進(jìn)行探頭補(bǔ)償；

Step4: 連接DUT開(kāi)始測(cè)試信號(hào)；

Step5:  使用“自動(dòng)設(shè)置”調(diào)節(jié)示波器，顯示穩(wěn)定波形。

十三. 高速信號(hào)探測(cè)建議

選用探頭的容性負(fù)載盡可能的小；

探頭前端的連接長(zhǎng)度越短越好；

選擇有源探頭或者有源差分探頭進(jìn)行高速信號(hào)測(cè)試；

建議示波器和探頭組成測(cè)試系統(tǒng)的上升時(shí)間比被測(cè)信號(hào)上升時(shí)間小3至5倍；

測(cè)量信號(hào)時(shí)探頭接地線(xiàn)與被測(cè)信號(hào)地要盡可能的短；

使用正確的連接方式接觸測(cè)試點(diǎn)。

十四. 探頭使用注意事項(xiàng)

儀器需要正確地接地和供電；示波器必須使用三線(xiàn)供電，接地要良好，且保證左零右火上接地；

2. 注意探頭的耐壓范圍，通常在探頭上會(huì)標(biāo)明；

3. 注意防止浮地測(cè)量，探測(cè)信號(hào)時(shí)，確保信號(hào)地與探頭的地線(xiàn)已良好接觸；

4. 注意不要使用單端探頭測(cè)試差分信號(hào)；

5. 防止電過(guò)應(yīng)力(EOS)引起的探頭損壞；

6. 防止靜電放電(ESD)引起的探頭損壞；

7. 防止機(jī)械損傷引起的探頭損壞。

十五.總結(jié)

    探頭是示波器與待測(cè)電路之間連接的導(dǎo)體，示波器探頭是把測(cè)試信號(hào)傳送到示波器通道的連線(xiàn)，因此，針對(duì)不同的應(yīng)用，應(yīng)正確的選擇探頭，使負(fù)載效應(yīng)小。本文介紹了示波器探頭原理、探頭的類(lèi)型、探頭選擇和使用、探頭的注意事項(xiàng)等。