4．探頭的負(fù)載效應(yīng)

理想的示波器探頭可以輕松、精確地復(fù)制被探測信號。然而在現(xiàn)實(shí)情況下，探頭成為了電路的一部分，附加到被測設(shè)備的探頭和探測附件會(huì)給電路帶來電阻、電容、電感和失配負(fù)載。由于負(fù)載效應(yīng)不同，會(huì)在頻域中影響探頭的帶寬和頻響，并在時(shí)域中帶來過沖、振鈴和直流偏置問題。圖6.12顯示了探頭負(fù)載對被測對象的影響程度。

因此，示波器探頭的負(fù)載對于被測電路的影響，是影響測量精度的一個(gè)很重要方面。知道了探頭的負(fù)載效應(yīng)，就可用于構(gòu)建等效電路模型，以評估寄生參數(shù)，或直接在去嵌入算法中使用，以消除探頭導(dǎo)致的負(fù)載效應(yīng)。通常情況下，探頭負(fù)載不是一個(gè)常數(shù)，它隨著頻率的變化而變化。圖6.13顯示了一個(gè)高阻無源探頭的負(fù)載效應(yīng)圖。

探頭的負(fù)載效應(yīng)由以下幾方面構(gòu)成：

|阻性負(fù)載：在直流或低頻范圍內(nèi)，主要的負(fù)載是探頭的輸入電阻。阻性負(fù)載主要影響直流參數(shù)，例如直流幅度精度、直流偏置和偏置電壓變化。該負(fù)載對低阻抗電阻分壓探頭尤其重要。使用低阻抗探頭時(shí)，若被測對象的阻抗比探頭的阻抗還大，流經(jīng)電路的大部分電流將流入該探頭，會(huì)降低被探測點(diǎn)的電壓。為了避免阻性負(fù)載效應(yīng)，需要探頭有大得多的輸入阻抗，有時(shí)還需使用隔直電容。隔掉的直流成分可以被高阻抗探頭恢復(fù)。

|容性負(fù)載：如圖6.13所示，從RC頻率到LC一階諧振頻率，被測對象的負(fù)載主要受到電容負(fù)載的影響。電容負(fù)載隨頻率的增加而增加。在高頻時(shí)，電容負(fù)載起作用，將高頻信號引入到地，極大地降低探頭的輸入阻抗。容性負(fù)載對高阻無源探頭非常重要，它會(huì)顯著限制探頭的帶寬和降低信號的邊沿速度。高帶寬探頭要求極低的輸入電容，通?？梢酝ㄟ^特定的結(jié)構(gòu)、較低K的材料/元器件選擇及良好的組裝過程來實(shí)現(xiàn)。

|感性負(fù)載：以一階諧振頻率到二階諧振頻率，被測對象的負(fù)載主要由電感來決定。如果LC諧振低于探頭帶寬，電感負(fù)載會(huì)使被測信號被大幅衰減和失真。該負(fù)載來自探頭信號探針到地產(chǎn)生的環(huán)路電感。磁通在該環(huán)路中生成感應(yīng)電壓。如果這個(gè)自諧振不是阻尼（damped），它將導(dǎo)致探測系統(tǒng)的頻率響應(yīng)出現(xiàn)明顯的過沖，從而導(dǎo)致被測信號失真。電感負(fù)載效應(yīng)通常以示波器屏幕上觀察波形的振鈴形式出現(xiàn)。振鈴源是LC電路，包含探頭的內(nèi)部電容、接地線和探頭探針電感。接地電感包括焊接到電路板的任何跳線或連接的任何接地鱷魚夾的電感。典型接地路徑的電感是1nH/mm，即1in接地線約為25nH。例如，電容為9.5pF的探頭和一條6in長的接地線可在大約133MHz的頻率上出現(xiàn)振鈴。除了電壓探頭外，鉗式電流探頭也可導(dǎo)致電感負(fù)載。被測對象與電流探頭中變壓器式線圈之間的互感可生成施加于被測對象的電感負(fù)載。通常，這個(gè)互感非常小，施加的負(fù)載遠(yuǎn)小于電壓探頭的負(fù)載。寄生電感和寄生電容引起的諧振頻率可以按以下公式計(jì)算：

|失配負(fù)載：當(dāng)信號的波長等于或小于電纜長度所對應(yīng)的頻率范圍（通常高于二階諧振頻率）時(shí)，失配負(fù)載變得更加重要。探測系統(tǒng)應(yīng)視為傳輸線，而不是一階RLC模型。因此，如圖6.13所示，探頭阻抗隨著頻率的變化，到一定頻段后，可視為隨著諧振頻率而變化。從探頭探針到示波器的ADC輸入，隨處都可能出現(xiàn)失配，并導(dǎo)致多反射波。電纜越長，諧振頻率越低。為了將諧振頻率推到盡可能高的頻率范圍，有源探頭的設(shè)計(jì)會(huì)包括有放大器，以最大程度地縮短從探針前端到高輸入阻抗放大器的失配信號路徑，放大器到示波器輸入端則接近理想同軸電纜連接。這是有源探頭的帶寬高于無源探頭的部分原因。通過現(xiàn)代示波器中的數(shù)字響應(yīng)平坦濾波器可以進(jìn)一步降低高頻失配負(fù)載。

如果想知道探頭對電路的負(fù)載程度，可以使用一種非常簡單的方法，通常稱為雙探測技術(shù)。首先，選擇一個(gè)想使用的探頭，將其連接到已知的目標(biāo)階躍信號。保存該波形，以便示波器進(jìn)行參考。接著，拿第二個(gè)探頭，將其附加到相同的探測點(diǎn)。如圖6.14所示，第二個(gè)探頭必須與連接附件的探頭完全相同。這時(shí)可以看到使用兩個(gè)探頭探測與僅使用一個(gè)探頭時(shí)波形的變化程度，變化程度越大，就說明探頭的負(fù)載效應(yīng)越大。這是一種快速、簡單的方法，無須使用任何昂貴的測試設(shè)備，便可檢查探頭本身的負(fù)載效應(yīng)。

在圖6.15所示的示波器屏幕中，可以看到，由于第二個(gè)探頭的負(fù)載效應(yīng)，減緩了信號的上升時(shí)間，使信號邊沿變得有些不平滑，說明這種探頭將降低測量系統(tǒng)的帶寬。因此通過雙探測法，就可以快速定性了解探頭會(huì)給電路帶來多少探頭負(fù)載。