理想的探頭

在理想情況下,理想的探頭將提供下述主要特點(diǎn):

① 連接容易、方便

② 絕對的信號保真度

③ 零信號源負(fù)荷

④ 能夠全面抗擊噪聲

1.連接容易、方便

建立到測試點(diǎn)的物理連接是探測的關(guān)鍵要求之一。在理想的探頭中，還應(yīng)能夠容易、方便地進(jìn)行物理連接。

圖1.探測 SMT 設(shè)備

對微型電路，如高密度表面封裝技術(shù)(SMT)，通過微型探頭頭部及為SMT 設(shè)備設(shè)計(jì)的各種探頭尖端適配器，可以提高連接的容易性和方便性。這種探測系統(tǒng)如圖1所示。但是，這些探頭在工業(yè)電力電路等應(yīng)用中實(shí)際使用時(shí)太小了，在這些應(yīng)用中，通常使用高壓線和大號線。在電力應(yīng)用中，要求使用具有更高安全余量、在物理上更大的探頭。圖2和3說明了這種探頭實(shí)例，其中圖2是高壓探頭，圖3是夾子式電流探頭。

圖2.高壓探頭

從這些物理連接實(shí)例中，可以明顯看出，并沒有一種理想的探頭規(guī)格或配置可以適用于所有應(yīng)用。正因如此，業(yè)內(nèi)已經(jīng)設(shè)計(jì)出各種探頭規(guī)格和配置，以滿足各種應(yīng)用的物理連接要求。

圖3.夾子式電流探頭

2.絕對的信號保真度

理想的探頭應(yīng)以絕對的信號保真度，把任何信號從探頭尖端傳送到示波器輸入上。換句話說，探頭尖端上發(fā)生的信號應(yīng)逼真地復(fù)現(xiàn)在示波器輸入上。

為實(shí)現(xiàn)絕對保真度，從探頭尖端到示波器輸入的探頭電路必須擁有零衰減、無窮大的帶寬及在所有頻率中實(shí)現(xiàn)線性相位。這些理想要求在實(shí)踐中不僅是不可能實(shí)現(xiàn)的，也是不可行的。例如，在處理音頻頻率信號時(shí)，沒有人會需要帶寬無窮大的探頭或示波器。在500 MHz 就能涵蓋大多數(shù)高速數(shù)字、電視和其它典型示波器應(yīng)用時(shí)，也不需要無窮大的帶寬。

但是，在給定工作帶寬范圍內(nèi)，絕對信號保真度仍是廣大用戶一直尋求的夢想。

3.零信號源負(fù)荷

測試點(diǎn)后面的電路可以視作一種信號源模型。連接到測試點(diǎn)的任何外部設(shè)備，如探頭，都會在測試點(diǎn)后面信號源上表現(xiàn)為額外的負(fù)荷。

在從電路(信號源)吸收信號電流時(shí)，外部設(shè)備作為負(fù)荷操作。這一負(fù)荷或吸收的信號電流會改變測試點(diǎn)后面的電路，進(jìn)而改變測試點(diǎn)上看到的信號。

理想的探頭導(dǎo)致的信號源負(fù)荷為零。換句話說，它不會從信號源吸收任何信號電流。這意味著為使吸收的電流為零，探頭必須具有無窮大的阻抗，從而在本質(zhì)上對測試點(diǎn)表示為開路。

在實(shí)踐中，零信號源負(fù)荷的探頭是不能實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)樘筋^必須吸收少量的信號電流，以在示波器輸入上形成信號電壓。結(jié)果，在使用探頭時(shí)預(yù)計(jì)將產(chǎn)生一定的信號源負(fù)荷。但是，我們的目標(biāo)應(yīng)一直是通過正確選擇探頭，最大限度地降低負(fù)荷數(shù)量。

4.全面抗噪聲能力

熒光燈和風(fēng)扇馬達(dá)是我們的周圍環(huán)境中存在的眾多電子噪聲源的兩種來源。這些噪聲源會在附近的電氣電纜和電路上引起噪聲，進(jìn)而導(dǎo)致在信號中增加噪聲。由于容易受到感應(yīng)的噪聲影響，一段簡單的導(dǎo)線是示波器探頭的次優(yōu)選擇。

理想的示波器探頭要能夠全面抗擊所有噪聲源。結(jié)果，與測試點(diǎn)上的信號出現(xiàn)的噪聲相比，傳送到示波器上的信號不會產(chǎn)生更多的噪聲。

在實(shí)踐中，使用屏蔽可以使探頭對大多數(shù)常用信號電平實(shí)現(xiàn)高級抗噪聲能力。但是，對某些低電平信號，噪聲仍可能是一個(gè)問題。在實(shí)踐中，共模噪聲會給差分測量帶來問題，我們將在下期對此進(jìn)行討論。

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審核編輯 黃宇