在電子測(cè)量領(lǐng)域，精確地獲取電路中電信號(hào)的波形對(duì)于分析電路的工作狀態(tài)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路以及排查故障至關(guān)重要。示波器是波形測(cè)量中最常用的儀器，通常會(huì)搭配不同類(lèi)型的探頭使用。其中，差分探頭和無(wú)源探頭是比較常見(jiàn)的兩種類(lèi)型。然而，在實(shí)際測(cè)量中，常常出現(xiàn)這兩種探頭測(cè)量同一信號(hào)時(shí)波形不一致的情況，這給工程師們帶來(lái)了諸多困擾。接下來(lái)，我們將深入探討這一現(xiàn)象背后的原因。

一、工作原理的差異

無(wú)源探頭是示波器探頭中較為基礎(chǔ)且常用的類(lèi)型。它的工作原理基于簡(jiǎn)單的電阻電容分壓網(wǎng)絡(luò)，通常采用10:1 的衰減比例，即將輸入信號(hào)衰減為原來(lái)的十分之一后傳輸給示波器。無(wú)源探頭的輸入阻抗較高，一般為 10MΩ，能夠有效減少對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)。在低頻信號(hào)測(cè)量（通常頻率低于 500MHz）時(shí)，無(wú)源探頭能夠較好地還原信號(hào)波形，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。

差分探頭則采用了更為復(fù)雜的差分放大原理。它具備正負(fù)兩個(gè)輸入通道，通過(guò)差分放大器對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)的差值進(jìn)行放大處理。這種設(shè)計(jì)使得差分探頭能夠有效抑制共模干擾信號(hào)，具有較高的共模抑制比（CMRR），一般可達(dá) 80dB 以上。差分探頭適合測(cè)量那些不能以地為參考的信號(hào)，例如在功率電子領(lǐng)域中，測(cè)量三相逆變器母線(xiàn)電壓等浮地系統(tǒng)的信號(hào)。

二、測(cè)量環(huán)境的影響

在一些復(fù)雜的電磁環(huán)境中，例如存在大量開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)等干擾源的場(chǎng)合，無(wú)源探頭由于其單端輸入結(jié)構(gòu)，容易受到外界電磁干擾的影響。較長(zhǎng)的接地線(xiàn)在高頻環(huán)境下會(huì)形成天線(xiàn)效應(yīng)，耦合進(jìn)噪聲信號(hào)，從而導(dǎo)致測(cè)量波形出現(xiàn)雜散的毛刺或失真。例如，在測(cè)量開(kāi)關(guān)電源的輸出紋波時(shí)，如果無(wú)源探頭的接地線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，就可能會(huì)拾取到開(kāi)關(guān)電源自身的高頻開(kāi)關(guān)噪聲，使得測(cè)量得到的紋波波形上疊加大量無(wú)規(guī)律的尖峰噪聲。

盡管差分探頭對(duì)共模干擾有較強(qiáng)的抑制能力，但在面對(duì)過(guò)大的共模電壓變化速率（dv/dt）時(shí)，其共模抑制比會(huì)下降。當(dāng)測(cè)量一些高速功率器件（如碳化硅 MOSFET）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，由于其開(kāi)關(guān)速度極快，dv/dt 可達(dá) 100V/ns 甚至更高，此時(shí)差分探頭可能無(wú)法完全抑制共模干擾，導(dǎo)致測(cè)量波形出現(xiàn)幅度偏差或形狀畸變。有工程師在測(cè)量碳化硅 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，使用差分探頭得到的波形在開(kāi)關(guān)瞬間出現(xiàn)了明顯的過(guò)沖和振蕩，與理論波形相差較大。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，這是由于共模電壓變化速率過(guò)大，超出了差分探頭的共模抑制能力范圍。

三、探頭參數(shù)特性的差異

無(wú)源探頭的帶寬相對(duì)有限，一般常見(jiàn)的無(wú)源探頭帶寬在500MHz 以下。當(dāng)測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，由于其自身的頻率響應(yīng)特性，會(huì)對(duì)信號(hào)的高頻分量產(chǎn)生衰減，導(dǎo)致測(cè)量波形的上升沿變緩、幅度下降。例如，使用 500MHz 的無(wú)源探頭測(cè)量一個(gè)上升時(shí)間為 530ps 的信號(hào)，即使不考慮示波器的帶寬影響，經(jīng)過(guò)探頭后的信號(hào)上升時(shí)間也會(huì)變?yōu)?860ps，波形失真明顯。

差分探頭的帶寬范圍則較為廣泛，從幾十MHz 到數(shù) GHz 都有。但是不同帶寬的差分探頭在測(cè)量同一信號(hào)時(shí)也可能出現(xiàn)差異。帶寬較低的差分探頭在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，同樣會(huì)面臨高頻分量丟失的問(wèn)題；而帶寬過(guò)高的差分探頭在測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)，可能會(huì)引入更多的噪聲，因?yàn)槠鋵?duì)低頻信號(hào)的濾波效果相對(duì)較弱。此外，差分探頭的輸入阻抗和輸入電容等參數(shù)也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。如果輸入阻抗與被測(cè)電路不匹配，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射，造成波形畸變；輸入電容過(guò)大則會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生較大的負(fù)載效應(yīng)，改變?cè)盘?hào)的特性。

四、探頭使用方法的不當(dāng)

無(wú)源探頭在使用時(shí)需要進(jìn)行正確的補(bǔ)償調(diào)節(jié)。其連接示波器的一端通常有一個(gè)可調(diào)電容，通過(guò)調(diào)整該電容，使探頭的高頻響應(yīng)與示波器的輸入特性相匹配，從而保證在不同頻率下都能準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)。如果補(bǔ)償調(diào)節(jié)不當(dāng)，在測(cè)量方波信號(hào)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖或下沖的現(xiàn)象，測(cè)量其他復(fù)雜波形時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致幅度和相位的測(cè)量誤差。例如，在示波器提供的低頻方波校準(zhǔn)信號(hào)下，若未將無(wú)源探頭的補(bǔ)償電容調(diào)整到合適值，測(cè)量得到的方波可能會(huì)出現(xiàn)頂部或底部的圓角，或者出現(xiàn)明顯的振鈴現(xiàn)象。

差分探頭在使用時(shí)，兩根測(cè)量線(xiàn)的布線(xiàn)方式也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。如果兩根測(cè)量線(xiàn)未進(jìn)行雙絞，在測(cè)量高壓、高速信號(hào)時(shí)，它們會(huì)像天線(xiàn)一樣接收外界的磁場(chǎng)信號(hào)，尤其是在測(cè)量SiC MOSFET 等開(kāi)關(guān)速度快、電流變化速率大的器件時(shí)，測(cè)量線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)變化會(huì)在測(cè)量線(xiàn)中感應(yīng)出干擾信號(hào)，影響測(cè)量波形的準(zhǔn)確性。將差分探頭的兩根測(cè)量線(xiàn)進(jìn)行雙絞后，驅(qū)動(dòng)電壓波形的震蕩幅度明顯降低，測(cè)量結(jié)果更加接近真實(shí)值。

五、總結(jié)

差分探頭和無(wú)源探頭測(cè)量波形不一致是由多種因素共同作用的結(jié)果。工程師在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，需要充分了解兩種探頭的特性，根據(jù)測(cè)量需求和環(huán)境選擇合適的探頭，并正確使用和設(shè)置探頭參數(shù)。必要時(shí)還需對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合分析和驗(yàn)證，以確保獲取到準(zhǔn)確可靠的信號(hào)波形，為電路設(shè)計(jì)和分析提供有力支持。

審核編輯 黃宇