现实世界中示波器探头的分析

如果您有示波器，示波器探头是您实验室设置的重要部分，但您是否曾经停下来考虑探头如何可能影响您正在仔细研究的信号，以理解您的电路行为或分析组件的性能？

本文将研究不同的示波器探头，比较性能，看看探头如何影响您看到的内容，并确定哪些探头最适合您的应用。为了获得全面的结果，我用一些在亚马逊和Digi-Key上可获得的最便宜的探头补充了我的高质量探头，以看到不同之处。

在查看不同的可用选项时，预期是便宜的探头都会很差，而昂贵的探头通常会更好。然而，结果可能会让人惊讶。

示波器探头分析

示波器探头性能分析旨在发现更多关于不同探头类型的信息，并了解它们如何在真实世界场景中使用一系列探头时影响测量。

当查看高速信号时，探头性能尤其关键，质量差的探头不仅无法显示准确的波形，而且其电容和电感特性可以影响您试图监控的电路的操作。因此，您了解自己正在使用的探头以及它将如何影响您试图测量的信号至关重要。

探头差异问题在大型实验室中尤其麻烦，在那里您可能可以使用许多不同类型的探头。当测试电路时记录的测量值可能会有所不同，如果您回去并使用其他探头重新测量。这是您需要完整记录您使用的测试设备的原因之一，包括哪些探头和导线，用于正式的验证和验证测试。

测试的示波器探头包括以下内容：

• Rigol PVP2150 150MHz 探头
• Rigol PVP2350 350MHz 探头
• Keysight N2140A 200MHz 探头
• Keysight N2889A 350MHz 探头
• Keysight N2894A 700MHz 探头
• Pico Technology TA375 100MHz 探头
• Digilent P6100 460-004 100MHz 探头
• Youmile P6100 100MHz 探头
• YPioneer 高压 P4200 100MHz 探头

示波器探头解释

理想的示波器探头将在不对电路造成负载或允许噪声降低信号质量的情况下，完全忠实地在示波器上复制其测量的电路板上的信号。现实是，总会有一些信号失真、负载和噪声的元素存在。典型的权衡是在预算限制内最小化对电路板和测量信号的不利影响。

探头主要有两种类型，被动和主动。顾名思义，被动探头使用被动组件来衰减信号，以便测量信号的最大电位差在示波器的限制范围内。最简单的形式，一个没有衰减的被动探头实际上就是一段导线。主动探头使用一个主动电路，通常基于运算放大器，以最小化输入阻抗并提高灵敏度。理想的探头具有高输入阻抗和低输入电容。

探头通常使用屏蔽同轴电缆来最小化噪声，这增加了被动探头的感应和电容特性。通常，探头包括一个补偿电路，允许手动调整阻抗参数以最小化探头附着的电路的影响。当然，这个阻抗会随频率变化，因此始终至关重要的是根据测量信号的频率调整补偿。我们还可以看到，探头头部和示波器连接器之间的电缆长度将影响测量，特别是带宽。这种影响是为什么探头引线足够长以便使用，但又不必要过长的原因。

还有专门的示波器探头可用于诸如高电压测量之类的应用，这些在一般电子电路板中通常不会发现。这些探头将包括安全特性，以保护用户免受电击的风险。

选择示波器探头时，有几个重要因素需要考虑。

• 带宽定义了探头可以准确测量的有效最大频率，使用信号的-3dB点来指定。显著超过此频率的信号，最好是被衰减并丢失，最坏情况下，极度失真，给出误导性的测量。
• 上升时间定义了探头可以准确测量的最快瞬态信号变化，基本上是快速变化信号斜率的陡峭程度。

示波器和探头将限制您可以准确测量的最大频率和上升时间，这在查看数字时钟信号时可能成为一个严重的限制因素，其中准确的上升时间取决于对方波信号的高频信号组分的精确测量。

探头能够准确测量的最大可测电位差称为动态范围。这通常针对直流信号分量进行规定，并且随着信号频率的增加通常会降低。差分测量探头可用，指定了共模和差模动态范围的值。也有专门设计用于测量电源的探头，调整为测量施加在显著直流信号上的小交流信号。

示波器探头测试方法

测试过程使用基于波特图的频率响应分析，在广泛的频率带宽上测试各种可用的探头。用于探头测试的示波器具有进行此类测试的内部能力，但限于最高50MHz。为了产生更广泛且更具代表性的带宽比较，一个Siglent SDG7102A任意波形发生器被编程以700kHz至700MHz的频率逐步进行。示波器用于探头测试限制了这一测试带宽。波形发生器还能够测试上升时间响应，能够生成上升沿速率为500皮秒的信号。

测试重点主要是探测具有高速元素的信号的典型用例，而不仅仅是测量高速正弦波。这种测试方法代表了示波器探头的典型使用，为电路设计师提供了更有价值的结果。我们将看到，频率响应分析提供了一些有趣的见解。

测试的一个关键方面是确保探头的正确补偿，以便结果可以交叉相关并比较，以产生定性的性能评估。

示波器探头测试发现

您可以在本文附带的视频中最好地查看测试结果，在那里您可以观察每个探头产生的波形，并看到结果之间的差异，以及在某些情况下，结果之间缺乏差异。

例如，测试两个Rigol探头，其指定的带宽分别为150MHz和350MHz，产生了几乎相同的频率响应，包括波形形状和持续的超调。

这些结果表明，它们在功能上是相同的，只是标签不同。这个结果与这些探头的用户的轶事证据相符。

其中一个关键发现是带宽结果，一些探头展示的 -3dB 点远超过规格值。例如，Rigol 的探头捕获到的信号上升沿大约为 750 皮秒，相当于大约 460MHz 的带宽。这超出了它们指定的 150MHz 和 350MHz 带宽。有趣的是，Keysight N2140A 200MHz 探头也观察到了大约 460MHz 的带宽。

Rigol 结果摘要

Rigol PVP2150 150MHz 探头和 Rigol PVP2350 350MHz 探头产生了几乎相同的测量波形。

Rigol PVP2150

Rigol PVP2350

Keysight 结果摘要

价格合理的 Keysight N2140A 以两个探头包的形式出售，具有准确的工厂补偿和卓越的快速边沿测试测量结果。测量波形与源测试信号高度相关，提供了极佳的测量精度。

对高等级的 Keysight N2889A 350MHz 探头的观察显示，与较便宜的 Rigol 型号相比，它产生了更具代表性的测量波形。这个探头在大约 460MHz 的带宽上产生了异常的波形表示。然而，考虑到其成本是低成本 Rigol 选项的五倍多，结果并没有显著更好。需要注意的一点是，与低带宽 Keysight 探头测试相比，这个探头的输入电容更高，这在探测对电容负载敏感的电路板上的信号点时至关重要。

顶级的 Keysight N2894A 700MHz 探头的价格大约是预算探头的十倍，但输入电容减半。测试结果指出，上升沿的测量速度相当于只有大约 520MHz 的带宽。然而，这个值超过了高阻抗输入的示波器带宽，所以虽然这个探头并没有像 200MHz 探头那样好地表示波形，但可能是示波器前端带宽限制造成的。从理论上讲，700MHz 的 Keysight 探头应该是最佳选择，在解决测试和探头校准限制后，它可能在现实世界中表现最佳。

当测量的信号中包含的组件速度超过示波器带宽时，这一限制至关重要。测试示波器的50-欧姆输入具有6.3GHz的带宽，远超过用于创建测试波形的函数发生器信号的能力。相比高评级的N2894A型号，价格更亲民的N2140A探头通常产生更清晰的波形。

Pico Technology结果摘要

Pico Technology的TA375探头用于PicoTest USB示波器系列，带宽相对较低，产生的波形代表性最差之一。

测试显示，上升沿响应相对较快，但包含了高达35%的超调。将测试信号上升时间减少到大约两纳秒可以将超调控制在可接受的水平，并在下降到三纳秒时产生相对干净的测量信号。

总之，这种低预算探头非常适合与20MHz示波器配对使用的低频工作。

Digilent结果摘要

在预算类别中坚定地位于Digilent 460-004，标记为"P6100"，我们将看到这是与我们稍后将看到的Youmile探头相同的型号。

这个100MHz带宽的探头在测量100MHz方波时也显示了35%的超调。然而，这种差性能仅限于上升沿响应，而测量的波形的其余部分相当具有代表性。

将上升沿减少到2.5纳秒以下，代表155MHz的带宽，将超调降低到5%以下，这仍然远高于广告规格。当使用带宽有限的示波器，如Analog Discovery或其他Digilent USB示波器时，这些低成本探头可能非常优秀。

优迈结果摘要

对优迈P6100探头的第一印象是，它在视觉上与Digilent 460-004探头完全相同，指定的带宽也相同，价格只是略高一些。然而，测试显示，与Digilent探头相比，由于工厂校准不足，频率响应急剧下降。

尝试校准探头最终导致调整控制到达其行程的末端，而且制造质量差意味着塑料调整工具被损坏，需要金属调整工具进行调整。

校准后，优迈探头的测试结果并不乐观。使用100MHz方波测试时，测量到的信号与测试信号几乎没有相似之处，使其无法作为测量工具使用。即使将频率降低到探头指定带宽的范围内，也未能产生足够代表测试信号的测量波形，以至于无法使用。

与优迈相比，Digilent探头总体产生了远优于优迈的结果，尽管最初外观相同。

YPioneer高压结果摘要

在这系列测试中，高压YPioneer P4200是唯一包含的100:1探头，用于观察与标准探头相比的性能。我只对其他探头进行了比较测试；出于安全原因，我没有包括高压测试。

总的来说，预算高压探头在其指定的100MHz带宽内产生了相当具有代表性的波形，并且在测量500皮秒上升沿时超出了预期。性能在大约1.5纳秒上升时间时下降，但这相当于探头额定带宽的两倍。

Keysight测试发现

我使用了Keysight MXR示波器，这是一件功能强大的实验室设备，用于所有测试。一个亮点是出色的探头校准能力。

校准前的示波器探头

校准后的示波器探头

总体而言，探头测试的结果表明，是德公司价格第二低的N2889A 200MHz探头在所有其他被动探头中表现出巨大的优势。虽然频率响应分析并非最佳，但它产生的测量波形最接近源测试信号，这最终是你希望从探头中获得的。

需要记住的关键一点是，将探头连接到电路上可能会因探头的阻抗而改变电路的行为。如果一旦断开探头，电路行为发生变化，使用探头准确调整电路可能会失败。探头的电容性和电感性质也可能扭曲或衰减板上的信号，当你尝试诊断问题时，这会降低性能。

这次测试的要点强调，探头带宽并非选择最佳探头的唯一标准。带宽提供了一个很好的起点，但它只是许多因素中的一个。理解探头的行为对于确保你在测量信号时正确解读结果至关重要。

结论

总体结果显示，一个相对便宜的品牌200MHz探头在一系列测试中能够胜过所有其他探头。是德N2140A的成本仅为性能最差的预算探头的大约三倍，但提供的性能却超过三倍。因此，便宜的探头代表了一种错误的经济，因为它们阻止你进行准确的测量，这是使用示波器的目的。另一个考虑因素是，对于像是德、泰克、罗德与施瓦茨这样的主要品牌探头，你可以对质量控制和探头之间的一致性有合理的信心。

最后，你的探测技术在测试板时可以显著影响信号测量。所有的探头测试使用相同的技术，这在比较测试中消除了任何效果，但当实际使用示波器时，始终确保你遵循最佳探测实践以获得最佳结果是非常重要的。