示波器知识汇总

1.示波器测量时需要避免的七大常见错误
2.示波器的使用方法 - 示波器的基本实验
3.有关示波器探头的 11 个误解
4.充分发挥示波器潜能的 6 大秘诀
5.示波器探头 - 提高示波器探测能力的八个技巧
6.示波器无源探头补偿
7.拆个示波器无源探头，看看里面到底有啥秘密
8.示波器的使用方法 - 使用示波器测量电源噪声
9.泰克百科学堂
10.麦科信仪器

在理想情况下，所有探头都应该是一条不会对被测设备产生任何干扰的导线，当连接到您的电路时，具有无穷大的输入电阻，而电容和电感为零。这样将会精确复制被测信号。但现实情况是，探头会给电路带来负载效应。探头上的电阻、电容和电感元件可能改变被测电路的响应。

错误1没有校准探头
探头在出厂的之后都进行过校准，但它们没有针对示波器前端进行校准。如果它们未在示波器输入端上进行校准，那么就无法得到正确的测量结果。
无源探头可以调节探头的可变电容，使补偿与正在使用的示波器输入完美匹配。

错误 2 增加探头负载效应
探头具有电阻、电容和电感特性

使用尽量短的引线来保持探头的带宽和精度。通常，探针的输入线或引线越长，带宽减小得就越大。较窄带宽的测量可能不会受到太大影响，但在进行较宽带宽的测量时，特别是在1GHz以上时，需要谨慎选择使用的探针和附件。随着探头带宽降低，您将失去测量快速上升时间的能力。

另外，最好要使用较短的接地引线，因为它们越长，引入的电感就越多。保持接地线尽量短并尽量靠近系统接地点，以便确保可重复和准确的测量。

在探针上增加一个电阻，可以克服长探头连接所引起的谐振，减少振铃和过冲。但是，它不能解决由于添加引线导致的带宽限制

错误 3 没有充分利用您的差分探头
差分探头可以进行与单端探头相同的测量，并且由于差分探头在两个输入端上有
共模抑制，所以差分测量结果的噪声大为减少。这使您可以看到被测设备信号的更
好表示，而不会被探测所增加的随机噪声误导

错误 4 选择了错误的电流探头
使用适合被测设备的大电流探头；使用具有足够灵敏度和动态范围的小电流探头来捕捉信号的所有方面内容和细节。

错误 5 在纹波和噪声测量期间会错误地处理直流偏置
当直流偏置较大时，可能需要在示波器上使用较大的每格电压设置才能在屏幕上显示信号。与小交流信号相比，这样做会降低测量的灵敏度并增加噪声。这意味着在测试时无法获得信号交流部分的准确表示。
使用具有较大偏置功能的电源探头，可以将波形置于屏幕中间，而无需移除直流偏置。这样可以让整个波形都显示在屏幕上，同时保持垂直标度较小且处于放大状态。通过这些设置，还可以查看瞬态、纹波和噪声的细节。

错误 6 未知的带宽限制
探头和示波器组成了一个“系统”，对带宽的整体影响比它们单独的影响都要大。

例如，假设您的示波器和探头带宽均为 500 MHz 。使用上面的公式可知，系统带
宽将为 353 MHz 。

错误 7 被掩盖的噪声影响
探头和示波器的噪声可能会导致被测设备的噪声显得更大。为工程师的应用选择具有合适衰减比的探头，将会减小探头和示波器所添加的噪声。因此，工程师就能够获得更准确的信号，更清晰地查看被测设备的情况。

较高的衰减比使您可以测量较大的信号，但缺点是示波器将检测到这些比率并同时放大信号及其噪声。

有一种方法可以简单地估算探头噪声大小，这就是从探头的技术资料或手册中检索该探头的衰减比和探头噪声电平。

误解1. 100 MHz 的“信号”，使用 100 MHz 的示波器探头。

误解2. 只有高带宽测量才需要有源探头
有源探头的低负载是它们最常被忽视的优势。每当探头与目标发生接触时，探头变成它所测量的电路的一部分。探头与电路之间的这种紧密接触效应称为探头负载。负载越大，对被测信号带来的探头干扰就越多。探头制造商对探头的输入电阻和电容做出了规定。典型的 500 MHz 无源探头为并联 10 MΩ，电容 9.5 pf；而典型的 1 GHz 有源探头为并联 1 MΩ，电容 1 pf。在直流中，对于被测电路而言，无源探头看起来像是一个 10 MΩ 的对地阻抗，而有源探头将为 1 MΩ。两者都是非常大的阻抗，这意味着在低频率信号上没有明显的影响。在较高频率下，探头电容将会对被测电路产生不利影响。例如， 在 75 MHz 的频率下，无源探头电容将呈现 150 Ω 的对地阻抗，而有源探头电容将呈现2.5 KΩ 的对地阻抗。有源探头的较小电容将导致 10 kHz 以上交流信号含量的负载较无源探头少。

误解3. 所有示波器探头的衰减比均为 10:1。
10:1 的无源探头和 1:1 的无源探头都可以用于测量 1Vpp 的典型信号，但 1:1 的无源探头会带来更有利的信噪比。

误解4. 只需建立稳定的连接即可开始测量

误解5. 接地就是接地

误解6. 使用电流探头和电压探头测量功率

误解7. 使用隔直 / 交流耦合来消除直流
很多时候，待分析的有用信号是交流信号，位于相对较大的直流信号顶部。测量直流电源的纹波和噪声就是一个常见的例子。“老派”的方法是将一个大电容与探头串联，隔离掉直流分量，使信号能够在屏幕上居中，并放大用于分析。另一种更好的方法是利用具有探头偏置能力的探头，如 N7020A 电源探头。探头偏置位于示波器和探头向探头内注入调零电压之处，最好位于探头的大电阻值探针电阻器后方。使用探头偏置的优势是只消除了直流。使用隔直时，低频内容也被滤除。在直流电源上测量纹波和噪声时，隔直可以滤除低频电源漂移和供电变化。探头偏置的另一个优势是，用户调整接入偏置，示波器知道消除了多少直流，并能显示此信息，以及在运算或自动测量中使用。

误解8. 不要把示波器探头放在温箱内。

误解9. 电流探测器在测量“小”电流时不起作用。

误解10. 驱动示波器的同时不能使用两个探头

误解11. 探测现代高密度目标很难

秘诀1 - 从基本触发开始

秘诀2 - 牢记探头要点
选择正确的示波器探头

探头用于连接示波器和被测器件（DUT），它们对于信号完整性至关重要。 市面上销售的示波器探头有成百上千种，您如何选择正确的那一款？ 个问题并没有唯一的答案，因为每一个设计都不尽相同。但是，在做 决定之前，您需要考虑一些不同的探头特征。

带宽
探头的带宽描述了探头能将多高的频率传递给示波器。探头带宽不够，一样会造成严重的信号衰减，探头带宽和示波器带宽选择方法一样。

衰减比
探头具有不同（有时可切换）的衰减比，衰减比会改变信号进入示波器 的大小。如果衰减比较高，您可以查看较高的电压，但它也会使示波器的内部放大器噪声更高。衰减比较低意味着您看到的示波器噪声更少， 但会有更多的负载效应可能让您的信号变形。

探头负载效应
没有任何探头能够完美地再现您的信号，因为当您将探头连接到电路时， 探头就会成为这个电路的一部分。这种现象称为负载效应。给系统增加不必要的负载，可能导致测量不准确，甚至会改变信号的波形形状！

电阻负载：最好是确保探头的电阻超过电源内阻的十倍，以使幅度下降 小于 10%。
电容负载：确保探头的标定电容负载符合您的设计参数。
电感负载：使用尽量短的地线来降低电感负载（在信号中显示为振铃）。

无源探头与有源探头
无源探头通常价格便宜、易于使用而且坚固耐用。无源探头是一种通用且精确的探头类型。它们通常会产生相对较高的电容负载和低的电阻负载。在探测带宽小于 600 MHz 的信号时，无源探头很有用。

有源探头使用有源元器件来放大或调节信号，并需要电源才能工作。它们能够支持更高的信号带宽。有源探头比无源探头的价格要高得多，并且不像无源探头那么坚固耐用。有源探头的负载效应通常比无源探头小。

无源探头非常适合于定性测量，例如检查时钟频率、查找错误等。有源探头则在定量测量方面表现出色，例如输出纹波或上升时间。

秘诀3 - 合理定标波形

秘诀4 - 使用正确的采集模式

秘诀5 - 使用高级触发了解更多细节

秘诀6 - 对串行总线使用符号解码

技巧 1：选择无源探头还是有源探头？

技巧 2：使用双探头检查探头负载

技巧 3：使用前的探头补偿

技巧 4：高灵敏度、宽动态范围电流测量

技巧 5：使用差分探头进行安全浮置测量

技巧 6：检查共模抑制

技巧 7：检查探头耦合

技巧 8：阻尼谐振

阻尼电阻主要作用就是抵消探头寄生电感带来的系统频响上的尖峰，阻尼电阻过小尖峰很大，时域波形会出现较大的过冲，阻尼电阻过大又会导致系统带宽不足，实际的取值往往是根据探头和示波器特性，经过调试权衡出来的一个中间值。

1.探头相关知识

1.1 10x和1x相关

有关示波器探头学习资料可见泰克的60C-6053-12.pdf《探头ABC入门手册》，文末有链接。

上图为使用示波器的默认 1 MΩ 输入，连接到 10:1 无源探头时系统的简化模型。请注意，许多较高带宽的示波器还具有用户可选择的 50 Ω 输入端子选择，这种选择通常用于有源探头端子和／或使用 50 Ω BNC 同轴电缆从 50 Ω 电源直接输入信号时。无源探头和示波器的电子模型包括固有／寄生电容 （非设计）以及特意设计的补偿电容网络。

实际中，任何电路都不是理想电路，或多或少都有寄生参数。示波器与示波器探头的接口也不例外。由于示波器接口需要同时将信号与GND连接到示波器探头上，因此，输入的信号和GND之间就形成了电容。无论怎样改进示波器接口的设计，都无法消除示波器的输入电容的寄生参数。一般示波器的输入电容典型值为15pF。

我们来算一算这个RC电路的截止频率。考虑10X的档位，取R1=9M，Rin=1M,Cin为15pF，则截止频率为

减小 Cin，不可能，物理的限制就决定了Cin必然存在，而且 15pF本身已经是一个相当小的容值了；减小 R1和 Rin ?过小的电阻必然会对测量的电路造成影响。看起来是相当棘手的困难，但总归是有聪明人能够找到解决办法——补偿电容：

只要满足：

不同的示波器Cin不一样，即便型号一样，但是由于制造的参数不一致问题可能不同的示波器用同一个探头就不一定都能满足上面的比例关系。那岂不是要针对每一个示波器都要去单独制造特定的探头呢？怎么解决通用性问题呢？很简单，再增加一个可变电容 Cp

低频补偿电容，Cp和Ct都可以用于补偿，但几乎所有的探头都选择固定Ct去调整Cp，因为Ct不仅会影响低频的零极点，对高频响应的影响也非常大，而调整Cp对高频几乎没有影响。

整理总结下：为了提高探测动态范围，设置分压电阻；由于寄生电容导致带宽减小。该寄生电容难以减小，减小分压电阻会增加信号失真可能性，因此有了补偿电容。为了在任意频率下分压效果不变，则电容容值与电阻为反比关系：

为了灵活调节，又增加了可调电容Cp，满足多种需求。

前面介绍了10X设置下，探头及线缆上主要为9M电阻和用于补偿的阻容网络，那么设置为1X模式时，探头及线缆上是不是近似为0欧呢？网上相关实验测试，1X模式下内芯的电阻有300多欧姆，其中表笔部分近似为0，其余都在后面连接线上。实验室测试，内阻大约110欧姆。

内阻不为0欧姆这个问题解释起来比较复杂：
链接6中提到：涉及到波过程的分析。简单来说就是，由于示波器探头的线比较长，因此信号在传播的过程中，不能把线路看成一个集总参数，而应该考虑分布参数模型。

而考虑这样的模型之后，就需要对其中的分布参数进行优化，最早是Tek公司来研究这个问题，并根据特征阻抗来计算出合适的电阻。Tek公司根据10X这一档位下对示波器的线的参数进行优化，这也就是我们用万用表测出来的330欧 。

考虑 330欧电阻后再来分析1X为什么带宽低。

图中 R1=0欧， Ct被短路。由于参数已经优化过了，我们仅仅将示波器探头的线看作是一个330欧电阻。信号为10Mhz时，Cin阻抗为1k，分压后信号增益为0.77。

链接7中提到：
无源探头等效电路图：

示波器测量系统简单模型：

其中RS1为源内阻，这里取经验值25欧姆；RD1是无源探头的输入阻尼电阻，仿真的时候会扫参这个电阻值；L1是探头线缆的寄生电感，取经验值500nH；C1是探头线缆寄生电容和示波器输入电容的和，也是根据经验取100pF；R1是示波器的输入阻抗，为1M欧姆。

把RD的取值作为扫描的参数，取1、25、50、75、100、150和200欧姆，系统的频率响应和阶跃响应如下：


这个阻尼电阻主要作用就是抵消探头寄生电感带来的系统频响上的尖峰，阻尼电阻过小尖峰很大，时域波形会出现较大的过冲，阻尼电阻过大又会导致系统带宽不足，实际的取值往往是根据探头和示波器特性，经过调试权衡出来的一个中间值。

由上可知，由于寄生电容电感和阻尼电阻的存在，1X探头下系统的带宽是比较低的，10X探头却可以通过在衰减网络上增加补偿电路来获得更高的系统带宽，简化的系统模型如下：
10X探头下示波器测量系统简化模型：

1.2 无源探头与有源探头

示波器探头分类有哪些？该怎么选？
无源探头不需要外接示波器电源，细分：低阻电阻分压探头、带补偿的高阻无源探头(最常用的无源探头)、高压探头。有源探头需要外接示波器电源为探头中的有源器件（例如晶体管和放大器）供电，并提供比无源探头更高的带宽性能，可分为：单端有源探头、差分探头、电流探头。每一大类都包括许多不同类型的探头，每种探头都有其最适合的用途。
无源探头：
优点：无源探头由导线和连接器制成，在需要补偿或衰减时，还包括电阻器和电容器。探头中没有有源器件（晶体管或放大器），因此不需为探头供电。一般是最坚固、最经济的探头，它们不仅使用简便，而且使用广泛。电压动态范围大、物理性能和电气性能强健。
缺点：电容负荷大、没有足够的带宽、受地线影响、探头尖端不够尖（且尖端容易损坏）、很难连接表面贴装器件。
有源探头：
有些有源探头需要外部电源单独供电，有些可以通过示波器探头接口取电。由于探头内部有运放做了一级阻抗变换，示波器默认采用50Ω阻抗即可。

优点：因为有源探头外壳（靠近探针处）内置了一个小型有源放大器，因此有源探头的输入电容可以保持在非常低的水平，通常低于 2pF。这种低电容在高频率上产生了高输入阻抗，可广泛使用在高速数字量测领域。
缺点：有源探头的价位高，动态范围小，静电敏感，校准麻烦。

具体可参考《探头选型指南》。

2.一个信号的旅程

从您把示波器探头连接到器件的那一刻起，信号就开启了一次瞬间即可完成的重大旅程。它必须跨过五个不同的“模块”，才能完成从器件到示波器，最后返回显示器的整个旅程。

2.1 从被测器件（DUT）到示波器前端

2.2 模拟输入信号调节

这三个步骤所完成的处理工作取决于 V/格和偏置设置的值，而这两个值则最终取决于您测量的是低电平信号还是高电平信号。首先，信号会在衰减器模块中进行缩放；衰减器模块是一个电阻分压器网络。如果测量的是高电平输入信号，那么信号会被衰减（或减小）。如果您输入的是低电平信号，那么信号会在不做任何衰减的情况下传输到下一步。您可能会经常输入直流偏置信号，但又希望在 0 V 的屏幕中心显示它。为了实现这一点，就会在信号上添加具有相反极性的内部直流偏置，以便转换标度。这样，信号就会显示在屏幕的中央。

最后，信号会进入可变增益放大器。这种放大器会根据您的 V/格设置来增加或减少信号增益。是增是减，这里仍要取决于您测量的是低电平还是高电平信号。如果您测量的是低电平信号，对应的可能是低 V/格的设置，因此它告会诉放大器应当增加增益，以便您充分利用 ADC 的全部范围。如果您测量的是高电平信号，那么它应该已经在第一步中进行了衰减，而在这里放大器可能会通过降低增益来执行进一步的衰减，以让信号降低到 ADC 的动态范围内。

2.3 模数转换和触发系统

2.4 时基和采集存储器

时基模块能够控制开始和停止 ADC 采样的时间，对应的是刚刚在上一步骤中确定的触发事件。此外，时基模块还会根据示波器的可用采集存储器深度和时基设置来控制 ADC 采样率。

2.5 显示 DSP