隨著高速串行信號的速率越來越快，對示波器和探頭的要求也越來越高，有些工程師雖然用了很高帶寬的示波器觀測信號，但是，使用示波器測試過程中卻無法得到正確的波形。問題出在哪里？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，就可能導致無法正確完成測試，本文將詳細介紹探頭原理、探頭的類型、探頭選擇和使用、探頭的注意事項等。

一. 什么是探頭？

    探頭是儀器與待測電路之間連接的導體，可能是：一段導線、電纜、傳感器、探頭等。示波器探頭是把測試信號傳送到示波器通道的連線，當接上探頭，探頭就成為電路的一部分，信號頻率使其形成的電阻、電容和電感性負載。因此，針對不同的應用，應正確地選擇探頭，使負載效應小，信號才能得到精準的復現。

    探頭的定義：從待測電路獲取小的能量，并以大的信號保真度傳送至測試儀器的設備。正確的選擇探頭可以擴展示波器的的功能，而錯誤的使用探頭會降低示波器的測試能力，甚至導致人員安全問題。

二. 為什么要用探頭？

     示波器作為電子工程師常用的時域測量儀器之一，如何把被測信號正確并安全地引到示波器的通道上？示波器探測信號，一般有兩種連接方式，一種是利用同軸電纜把被測信號接到示波器的通道，第二種是利用探頭把測試信號接到示波器的通道。大部分工程師在做電路調試的過程中，無法利用同軸電纜把被測信號接到示波器的通道，一般會利用探頭把被測信號傳送到示波器的通道；另外有些一致性測試也無法利用同軸電纜把被測信號接到示波器的通道，例如：DDR測試、MIPI測試等，同時需要利用多個探頭把被測多路信號引到示波器的通道完成測試。因此探頭對測試至關重要。如果沒有探頭，很多信號將無法完成測量。探頭是在被測信號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，對于更好地使用示波器測試來說非常重要。如何正確選擇和使用探頭成為工程師們要面對的一大難題！

    探頭是將被測信號輸入到示波器通道，探頭對于測試非常重要。使用探頭時首先要考量的是人員的安全問題，特別測試高壓和大電流時；其次要保證測試的精度，接入探頭必然會對被測電路產生影響，正確選擇和使用探頭，降低探頭對測試結果帶來的影響，提高信號保真度。

三. 探頭的分類

    示波器的探頭類型：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。電壓探頭分為無源探頭和有源探頭。有源探頭分：單端探頭、差分探頭、三模探頭等類型。

電壓探頭：大多數示波器的探頭是電壓傳感器，探測電壓信號并傳送到示波器通道中；

電流探頭：利用霍爾效應測磁場，通過測量電路周圍磁場的變化來得到電流信號，并傳送到示波器輸入端；

光電探頭：探測光信號，并將光信號變換為電壓信號，然后輸入到示波器通道；

溫度、機械等傳感器：用于測量不同的現象；

數字邏輯探頭：用于探測多路并行的數字信號，進行邏輯分析功能。

有源電源軌探頭：測量 DC 電源軌上的紋波而設計的低噪聲、大偏置范圍的電壓探頭。

光隔離探頭：采用創新的光隔離技術，IsoVu 光隔離探頭在被測器件和示波器之間實現了全面電流隔離。

四. 電壓探頭電路結構

4.1 1X無源電壓探頭：優點是沒有衰減和價格便宜，缺點是：高反射量、電容大、帶寬低。

4.2 10X無源電壓探頭

4.3 50歐姆的10X無源電壓探頭

4.4 10X有源電壓探頭

4.5 有源差分電壓探頭

    有源差分探頭結構如下圖，通過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，目前業內高帶寬可達33GHz，但是價格相對較高，動態范圍也較小，比較脆弱。高帶寬差分探頭適合測試高速差分信號。

五.什么是電源軌探頭？

    電源軌探頭專門為精準測量電源的紋波和噪聲設計的探頭。現代電子產品的功能越來越多、密度越來越高、開關速度越來更快，正推動著對更低的供電電壓的需求。工程師需要查找高頻干擾信號，測量更小的紋波，更大帶寬的電源噪聲，示波器通常沒有足夠的偏置把DC上的噪聲和紋波移到屏幕中心來進行測量。泰克的TPR1000 和 TPR4000電源軌探頭提供了低噪聲、高帶寬及60V大偏置范圍來探測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，把輸入信號轉換成光調制，在電氣上把被測器件與示波器隔開。IsoVu探頭采用4個單獨的激光器、一個光傳感器、5條光纖及完善的反饋和控制技術。IsoVu結構及電流隔離技術在整個頻率范圍內提供了大于2000Vpeak的耐受電壓。IsoVu光隔離探頭可以支持幾千伏的電壓上限。由于采用創新的光隔離技術，IsoVu光電隔離探頭在被測器件和示波器之間實現了全面電流隔離。IsoVu光電隔離探頭在100MHz以下時提供了1000000:1的共模抑制比，在1GHz以下時提供了10000:1的共模抑制比，且在頻率提高時其額定值不會下降。

IsoVu 探頭的優勢

    IsoVu 技術使用光纖供電和光模擬信號路徑，在測量系統和DUT之間實現完全光電隔離。這種隔離的重要優勢是允許探頭在共模電壓下獨立浮動。

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

100MHz時高達120dB (1,000,000:1)CMRR

1GHz時高達80dB(10,000:1)CMRR

±60kV 共模電壓范圍

高達±2500V差分輸入電壓范圍

高達±2500V偏置范圍

IsoVu 探頭主要應用

    在傳統硅器件中， 開關速度不是太快，普通差分探頭就能觀測到信號。但是GaN和SiC 這樣的復合半導體對傳統探頭來說速度太快了，開發復合半導體器件時，需要IsoVu光隔離探頭探測信號。

? 使用SiC或GaN、FET或IGBT的半/全橋設計

? 浮動測量

? 功率轉換器設計

? 電源設備評估

? 開關電源設計

? 逆變器設計

? 電機驅動設計

? 電子鎮流器設計

? EMI 和 ESD 故障排除

IsoVu 探頭主要指標參數

七.什么是三模探頭？

    高速串行信號都采用在較高的共模電壓上使用小電壓擺幅的邏輯電平。由于差分信號的特點，串行標準往往規定一致性測試需包含：差分、單端、共模測試。測差分信號，一般需要利用差分探頭，測單端信號一般利用單端探頭(也可以利用差分探頭)，測共模信號，一般利用兩根單端探頭，雖然差分探頭可用于單端、差模和共模測量，但是每一種測量模式中，探頭到DUT 的物理連接都不一樣。TriMode三模探頭有差分、單端、共模三個工作模式，只要一次連接，就可以完成差分、單端、共模三種測試。

TriMode三模探頭的佳用法

為了充分利用TriMode探頭的優點，盡量遵循下述佳做法：

為保證完成測試，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 和一個接地端；

選擇適當的TriMode探測前端來完成測試需求；

TriMode 三模探頭型號

八. 有源探頭的連接前端

    如何與測試點的物理連接是探測的關鍵之一。利用探頭探測信號，探頭的前端方便地進行物理連接，根據測試應用和需求，選擇與DUT相適應的探頭前端適配器去探測信號，以達到佳的探測效果以及探測快捷和方便。目前，高帶寬有源探頭都采用分離式的設計方法，把探頭放大器(探頭的主體)與探頭前端分開，這樣設計的優勢如下：

1、可更換和支持不同探測前端，使得探測信號更加靈活和方便，滿足不同的測試需求;

2、節省成本，保護投資，探頭貴的部分是探頭主體放大器(一個探頭放大器可支持多種不同的探測方式)，同時探頭前端附件適配器可以保護探頭放大器，如果探頭前端附件被損壞，方便更換，并且價格也相對便宜。

探頭探測前端類型：

1. 點測探頭附件(單端和差分點測);

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

9.1 探頭的帶寬和上升時間

    探頭也有帶寬，探頭的帶寬是指探頭響應幅度下降到-3dB對應的截止頻率。探頭配合示波器一起使用，還需要考慮示波器的帶寬，這種系統帶寬決定著整體測試帶寬。

    上升時間通常利用10% 至 90% 階躍響應時間，表征探頭從前端到后端測量轉換時間。為在更精準測試信號上升時間或下降時間，探頭和示波器組成的測試系統的上升時間應該比被測信號的上升時間快3至5倍。

9.2 探頭的動態范圍和偏置

    探頭的輸入動態范圍：探頭所能測試的在示波器屏幕中心線上下的電壓范圍，例如：±1.75V動態輸入范圍的探頭，只能測量示波器屏幕中心線上下1.75V范圍內的電壓，如果輸入信號波動超出這個范圍，被測波形就會削波，但是探頭不一定會燒壞。

   偏置Offset：為了得到的瞬態響應，輸入信號調整到探頭放大器的動態范圍中心位置的范圍的能力。

    因此探頭的大測試電壓并不一定是動態范圍，探頭的測試電壓范圍是動態范圍加上偏置范圍，因此，利用探頭探測信號，測試信號要求在其動態范圍和偏置電壓范圍內。

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，如果輸入信號這個范圍，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共模分量的能力。若Acm趨近于零，則CMRR趨近無限大，代表理想的差分放大器。如果差分探頭的CMRR指標不好，則共模電壓會加入差模電，造成測量上的誤差，所以針對差分探頭，CMRR值越大越好 ，隨著頻率增加CMRR會逐漸減小。

9.6 探頭的衰減系數

    衰減系數：即探頭使輸入信號幅度減小倍數。典型的衰減系數有1X、2X、10X、50X、500X、1000X等，衰減倍數越高，可探測的大電壓越大。

9.7 探頭的傳輸延時和Deskew

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

十. 探頭地線對測試結果的影響

    利用探頭探測DUT時，工程師可能會傾向于延長探頭的地線，延長地線可以一次連接地線，然后在查看各個測試點時在系統上移動探頭。但是，延長的地線增加的電感可能會導致快速轉換波形上出現振鈴，如下圖所示，它顯示了在使用不同探頭地線時進行的波形測量結果。下圖說明了由于典型測量裝置的電感變化，不同的接地技術對1ns上升時間脈沖的影響。探頭接地線要盡可能短和直。

十一. 如何進行探頭的補償校準

   在利用探頭探測信號過程中，很多工程師都是拿起示波器就開始直接探測信號，大部分工程師會忘記要對示波器和探頭進行補償校準，導致工程師走了很多彎路，測試結果和波形不準確，浪費大量的時間找不到是示波器的問題還是被測電路本身的問題？測試效率大大降低， 從而延緩產品研發進度。如果利用探頭去探測信號，使用前要進行探頭補償校準，使探頭與示波器匹配，保證示波器系統的測量精度。因此，拿到有源探頭，先要補償校準，有源探頭和示波器一次使用時需要補償校準，如果換了示波器的不同通道測量時，也需要校準。建議示波器開機預熱30分鐘時間后進行探頭校準。

Step1.示波器SPC校準

a. 移走示波器的所有探頭以及各種連接器和適配器；

b. 建議開機后預熱30分鐘；

c.  點擊“Utility”下面的“Instrument Calibrate”;

d. 等待示波器的”Temperature status”由”Warm-up”為”Ready”后，點擊”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”，請確認前面的步驟是否正確，確認正確后再點擊Run SPC，若多次校準都顯示”Fail”，則儀器已經損壞，需要返修。

Step2. 探頭的校準

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

b: 點擊示波器中Vertical菜單下的“Probe Cal…”選項，見下圖；

c: 選擇對應需要校準的探頭所在通道，按下“Compensate Probe”按鈕，見下圖；

d: 查看探頭補償后的狀態，如果顯示"Compensated"狀態，說明探頭校準合格，如果Fail，說明探頭有問題，見下圖。

    關于各種探頭更詳細的補償校準視頻和文章，可以參考本公眾號以前發布的文章《敲黑板！用了這么多年示波器探頭，還不知道如何補償校準的，來補課啦！》

十二. 電壓探頭的使用步驟

Step1: 示波器預熱后做SPC補償；

Step2: 將探頭接到示波器通道上；

Step3: 進行探頭補償；

Step4: 連接DUT開始測試信號；

Step5:  使用“自動設置”調節示波器，顯示穩定波形。

十三. 高速信號探測建議

選用探頭的容性負載盡可能的小；

探頭前端的連接長度越短越好；

選擇有源探頭或者有源差分探頭進行高速信號測試；

建議示波器和探頭組成測試系統的上升時間比被測信號上升時間小3至5倍；

測量信號時探頭接地線與被測信號地要盡可能的短；

使用正確的連接方式接觸測試點。

十四. 探頭使用注意事項

儀器需要正確地接地和供電；示波器必須使用三線供電，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，通常在探頭上會標明；

3. 注意防止浮地測量，探測信號時，確保信號地與探頭的地線已良好接觸；

4. 注意不要使用單端探頭測試差分信號；

5. 防止電過應力(EOS)引起的探頭損壞；

6. 防止靜電放電(ESD)引起的探頭損壞；

7. 防止機械損傷引起的探頭損壞。

十五.總結

    探頭是示波器與待測電路之間連接的導體，示波器探頭是把測試信號傳送到示波器通道的連線，因此，針對不同的應用，應正確的選擇探頭，使負載效應小。本文介紹了示波器探頭原理、探頭的類型、探頭選擇和使用、探頭的注意事項等。