Learn about the fundamentals of probes and discover how to choose the right probe for your oscilloscope and get reliable measurements every time in this comprehensive ABCs of Probes primer.
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精準的量測始於探棒
探棒在示波器量測中具有舉足輕重的地位。若要瞭解探棒的重要性，請嘗試不讓示波器連接探棒，然後進行量測。您將發現這是做不到的事。量測中必須有某種電子連接，在要量測的訊號和示波器的輸入通道之間必須有某種探棒。
除了對示波器的量測至關重要之外，探棒對於量測品質也極為重要。將探棒連接至電路會影響電路的運作，示波器只能顯示和量測探棒傳遞到示波器輸入的訊號。
因此，探棒必須對待測電路的影響最小，並且對於所需的量測，必須保持足夠的訊號完整性。
若探棒無法保持訊號完整性，或以任何方式改變訊號或改變電路的運作方式，示波器都會看到實際訊號的失真結果。最後可能導致錯誤或誤導的量測結果。
從本質上講，探棒是示波器量測鏈中的第一個環節。而且，此量測鏈的強度與示波器一樣，在極大程度上取決於探棒。採用不適當的探棒或較差的探測方法會削弱第一個環節，進而削弱整個量測鏈。
在本節和接下來的部分中，您將瞭解探棒優劣勢的根本原因，以及如何為您的應用選擇正確的探棒。您還將學習正確使用探棒的一些重要技巧。
什麼是探棒？
首先，讓我們建立有關示波器探棒的觀念。
基本上，探棒會在測試點或訊號源與示波器之間建立實體和電氣連接。根據您的量測需要，這種連接可以只使用一段導線來完成，也可以是如主動式差動探棒一樣複雜的連接裝置。.
此時，您可以說示波器探棒是將訊號源連接到示波器輸入的某種裝置或網路。這在圖 1.1 中進行了說明，其中探棒在量測圖中表示為未定義的框。
無論探棒實際上是什麼，都必須能在訊號源和示波器輸入之間提供足夠便利和高品質的連接 (圖 1.2)。連接的充分性具有三個關鍵的定義問題——實體連接、對電路操作的影響和訊號傳輸。
若要進行示波器量測，您必須首先能夠將探棒實際接觸到測試點。為了實現這一點，大多數探棒至少有一兩公尺的纜線與之相連，如圖 1.2 所示。當探棒在待測電路中的測試點之間移動時，探棒纜線可讓示波器留在推車或工作台上的固定位置。但是，這種便利性需要權衡。探棒纜線會降低探棒的頻寬；纜線越長，減少量越大。
除了纜線的長度外，大多數探棒還具有附有探棒頭的探棒頭部或拖曳點。探棒頭部可讓您在操縱探棒以與測試點接觸時握住探棒。通常，此探棒頭採用彈簧負載鉤的形式，可讓您將探棒實際連接到測試點。
將探棒實際連接到測試點也會在探棒頭和示波器輸入之間建立電氣連接。為了獲得可用的量測結果，將探棒連接到電路必須對電路工作方式的影響最小，並且探棒頭的訊號必須以足夠的完整性，透過探棒和纜線傳輸到示波器的輸入端。
這三個問題——實體連接、對電路操作的最小影響和足夠的訊號完整性——涵蓋了正確選擇探棒的大部分內容。由於探測效應和訊號完整性是更複雜的主題，因此本入門手冊的大部分內容都針對這些問題。然而，實體連接的問題絕對不能被忽視。將探棒連接到測試點的困難通常會導致降低完整性的探測實作。
理想的探棒
在理想的世界中，理想的探棒將提供以下關鍵屬性：
- 連接簡單方便
- 絕對訊號完整性
- 零訊號源負載
- 完全抗噪性
連接簡單方便
前文已經提過，與測試點建立實體連接是探測的關鍵要求之一。使用理想的探棒，您還應該能夠輕鬆方便地進行實體連接。
對於小型化電路，例如高密度表面貼裝技術 (SMT)，透過為 SMT 裝置設計的超小型探棒和各種探棒頭轉接器提高了連接的簡易性和便利性。
這種探測系統如圖 1.3a 所示。然而，這些探棒太小，無法在工業電源電路等應用中實際使用，在這些應用中嘗會使用高電壓和更大規格的電線。對於電源應用，需要具有更大安全餘裕且實體上更大型的探棒。圖 1.3b 和 1.3c 顯示了此類探棒的範例，其中圖 1.3b 是高壓探棒，圖 1.3c 是鉗式電流探棒
從這些實體連接的幾個例子中，很明顯，沒有一種適用於所有應用的理想探棒尺寸或組態。因此，我們設計了各種探棒尺寸和組態以滿足各種應用的實體連接要求。
絕對訊號完整性
理想的探棒應該具備絕對的訊號完整性，將任何訊號從探棒頭傳輸到示波器輸入端。換言之，在探棒頭出現的訊號應該在示波器輸入端忠實地複製。
對於絕對完整性，從尖端到示波器輸入的探棒電路必須在所有頻率上都具有零衰減、無限頻寬和線性相位。這些理想的要求在現實中不僅不可能實現，而且不切實際。例如，當您處理音訊訊號時，不需要無限頻寬探棒或示波器。當 500 MHz 可以覆蓋大多數高速數位、電視和其他典型示波器應用時，也不需要無限頻寬。
儘管如此，在指定的操作頻寬內，絕對訊號完整性是一個理想的追求。
零訊號源負載
測試點後面的電路可以被視為或建模為訊號源。任何連接到測試點的外部裝置 (例如探棒) 皆可在測試點後面的訊號源上顯示為附加負載。
外部裝置在從電路 (訊號源) 汲取訊號電流時充當負載。這種負載或訊號電流消耗改變了測試點後面電路的操作，進而改變了在測試點看到的訊號。
理想的探棒會導致訊號源負載為零。換句話說，探棒不會從訊號源汲取任何訊號電流。這意味著，對於零電流消耗，探棒必須具有無窮大的阻抗，本質上對測試點呈現開路。
但實際上，無法實現零訊號源負載的探棒。這是因為探棒必須汲取少量訊號電流才能在示波器輸入端產生訊號電壓。因此，在使用探棒時會出現一些訊號源負載。然而，目標應該始終是通過適當的探頭選擇最小化負載量。
完全抗噪
螢光燈和風扇馬達只是我們環境中眾多電雜訊源中的兩個。這些來源會將其雜訊引入附近的纜線和電路中，進而導致雜訊被加入訊號中。由於對感應雜訊的敏感性，一根簡單的導線對於示波器探棒來說並不是理想的選擇。
理想的示波器探棒完全不受所有雜訊源的影響。因此，傳送到示波器的訊號不會出現比測試點訊號上更多的雜訊。
在實作中，使用遮蔽可讓探棒對最常見的訊號位準達到高位準的抗擾度。但是，對於某些低位準訊號，雜訊仍然是一個問題。特別是，共模雜訊可能會給差動量測帶來問題，這將在後面討論
探棒的現實情況
前面對理想探棒的討論提到了使實際探棒無法達到理想的幾個現實。若要瞭解這會如何影響您的示波器量測，我們需要進一步探索探棒的實際情況。
首先，重要的是要意識到探棒，即使只是一根簡單的電線，也可能是一個非常複雜的電路。
對於直流訊號 (0 Hz 頻率)，探棒表現為帶有一些串聯電阻和終端電阻的簡單導體對 (圖 1.4a)。然而，對於交流訊號，隨著訊號頻率的增加，圖像則會發生顯著的變化 (圖 1.4b)。
交流訊號的圖片會發生變化，因為任何一條纜線都有分佈電感 (L)，而任何線對都有分佈電容 (C)。隨著訊號頻率的增加，分佈式電感通過越來越多地阻礙交流電流對交流訊號作出反應。隨著訊號頻率的增加，分佈式電容對交流訊號作出反應，對交流電流的阻抗降低。這些電抗元素 (L 和 C) 與電阻元素 (R) 的相互作用會產生隨訊號頻率變化的總探棒阻抗。透過良好的探棒設計，可以控制探棒的 R、L 和 C 元素，以在指定的頻率範圍內提供所需的訊號完整性、衰減和源負載。即使設計良好，探棒也會受到其電路性質的限制。在選擇和使用探棒時，瞭解這些限制及其影響非常重要。
頻寬和上升時間限制
頻寬是示波器或探棒設計的頻率範圍。例如，100 MHz 探棒或示波器設計用於在高達 100 MHz 的所有頻率上進行規格範圍內的量測。超出指定頻寬的訊號頻率可能會出現不需要或不可預測的量測結果 (圖 1.5)。
一般而言，若要進行精確的振幅量測，示波器的頻寬應該是待測波形頻率的五倍。這種「五倍法則」確保了非正弦波形 (例如方波) 的高頻分量有足夠的頻寬。
同樣，示波器必須為待測波形提供足夠的上升時間。示波器或探棒的上升時間定義為在施加理想的瞬時上升脈衝時量測的上升時間。為了量測脈衝上升或下降時間的合理準確度，探棒和示波器的上升時間應該比待測脈衝的上升時間快三到五倍 (圖 1.6)。
在未指定上升時間的情況下，您可透過以下關係從頻寬 (BW) 規格中推導出上升時間 (Tr)：
Tr = 0.35/BW
每個示波器都定義了頻寬和上升時間限制。同樣，每個探棒也有自己的一組頻寬和上升時間限制。而且，當探棒連接到示波器時，您將得到一組新的系統頻寬和上升時間限制。
不幸的是，系統頻寬與單個示波器和探棒頻寬之間的關係並不簡單。上升時間也是如此。為瞭解決此問題，當示波器與特定的探棒型號一起使用時，優質示波器的製造商會指定探棒頭的頻寬或上升時間。這很重要，因為示波器和探棒共同構成了一個量測系統，而系統的頻寬和上升時間決定了其量測能力。如果您使用的探棒不在示波器推薦的探棒清單中，則會面臨量測結果不可預測的風險。
動態範圍限制
所有探棒皆有不應超過的高壓安全限制。對於被動式探棒，此限制範圍可以從數百伏到數千伏。但是，對於主動式探棒，最大安全電壓限制通常在幾十伏的範圍內。為避免人身安全危險以及探棒的潛在損壞，您應充分瞭解所量測的電壓和所用探棒的電壓限制。
除了安全考慮，還有量測動態範圍的實作考慮。示波器具有振幅靈敏度範圍。例如，1 mV 至 10 V/格是典型的靈敏度範圍。在 8 分區顯示器上，您通常可以對 4 mV 峰對峰值到 40 V 峰對峰值的訊號進行相當準確的量測。
這至少假設採用 4 分區振幅的訊號顯示，以獲得合理的量測解析度。
使用 1X 探棒 (1 倍探棒)，動態量測範圍與示波器相同。對於上面的範例，訊號量測範圍即為 4 mV 至 40 V。
但是，若必須量測 40V 範圍以上的訊號時，會怎麼樣呢？
Y您可以使用衰減探棒將示波器的動態範圍轉移到更高的電壓。例如，10X 探棒將動態範圍移到 40 mV - 400V。透過將輸入訊號衰減 10 倍，將示波器的標度有效地乘以 10，來實現這一點。在最通用的用途中，10X 探棒是首選的工具，這是因為高端電壓範圍及其導致的訊號源負載較少。但是，如果您計劃量測範圍很廣的電壓位準，您可能需要考慮使用可切換的 1X/10X 探棒。這為您提供了 4 mV 至 400 V 的動態範圍。但是，在 1X 模式下，必須更加注意訊號源負載。
源負載
如前所述，探棒必須吸取一些訊號電流，以便在示波器輸入端產生訊號電壓。這會在測試點放置一個負載，該負載可改變電路或訊號源傳送到測試點的訊號。
源負載效應的最簡單範例是考慮量測電池驅動的電阻網路。如圖 1.7 所示。在圖 1.7a 中，在連接探棒之前，電池的直流電壓被分配到電池的內阻 (Ri) 和電池驅動的負載電阻 (Ri) 之間。對於圖中給出的值，這會導致輸出電壓為：
Eo = Eb * RI/( Ri + RI)
= 100 V * 100,000/(100 + 100,000)
= 10,000,000 V/100,100
= 99.9 V
在圖 1.7b 中，探棒已連接到電路，將探棒電阻 (Rp) 與 RI 並聯。如果 Rp 為 100 kΩ，則圖 1.7b 中的有效負載電阻減半至 50 kΩ。
這對 Eo 的負載效果是：
Eo = 100 V * 50,000/(100 + 50,000)
= 5,000,000 V/50,100
= 99.8 V
99.9 V 與 99.8 V 的負載效應僅為 0.1%，在大多數情況下可以忽略不計。但是，如果 Rp 較小，例如 10 kΩ，則效果將不再可忽略。
為了盡量減少這種電阻負載，1X 探棒的電阻通常為 1 MΩ，而 10X 探棒的電阻通常為 10 MΩ。在大多數情況下，這些值幾乎不會導致電阻負載。但是，在量測高電阻源時，應該會出現一些負載。
通常，最受關注的負載是由探棒頭的電容引起 (圖 1.8)。對於低頻，此電容的電抗非常高，幾乎沒有影響。但是，隨著頻率的增加，容抗會降低。結果是增加了高頻負載。
此容性負載會透過減少頻寬和增加上升時間來影響量測系統的頻寬和上升時間特性。
| 探棒 | 衰減 | R | C |
| P6101B | 1X | 1 MΩ | 100 pF |
| P6109B | 10X | 10 MΩ | 13 pF |
| P6139A | 10X | 10 MΩ | 8 pF |
| P6243 | 10X | 1 MΩ | ≤1 pF |
選擇具有低尖端電容值的探棒，可以最大限度地減少電容負載。下表提供了各種探棒的一些典型電容值：
由於地線是一根導線，具有一定量的分佈電感 (圖 1.9)。此電感與探棒電容相互作用，在由 L 和 C 值確定的特定頻率下引起振鈴。這種振鈴是不可避免的，可以視為施加在脈衝上的振幅衰減的正弦曲線。透過設計探棒接地可以減少振鈴的影響，使振鈴頻率超出探棒/示波器系統的頻寬限制。
為避免接地問題，請務必使用探棒隨附的最短接地線。改採其他接地方式可能會導致在量測脈衝上出現振鈴。
探棒就是感應器
在處理示波器探棒的實際情況時，重要的是要記住探棒就是感應器。大多數示波器探棒是電壓感應器。也就是說，探棒會感測或探測電壓訊號，並將該電壓訊號傳送到示波器輸入端。但是，還有一些探棒可以讓您偵測電壓訊號以外的現象。
例如，電流探棒設計用於偵測流過電線的電流。探棒會將感測到的電流轉換為相應的電壓訊號，然後將其傳送到示波器的輸入端。同樣地，光學探棒會感測光功率並將其轉換為電壓訊號以供示波器量測
此外，示波器電壓探棒可與各種其他感應器或換能器一起使用，以量測不同的現象。例如，振動感應器允許您在示波器螢幕上查看機械振動特徵。可能性與市場上可用的感應器種類一樣廣泛。
但是，在所有情況下，須將感應器、探棒和示波器的組合視為一個量測系統。此外，上面討論的探棒的實際情況也向下延伸到換能器。換能器也有頻寬限制，可能會導致負載影響。
一些探測技巧
選擇與您的示波器和應用需求相符的探棒才能進行必要的量測。若要實際進行量測並獲得有用的結果，亦取決於您如何使用工具。以下探測技巧將有助於避免一些常見的量測陷阱：
補償探棒
大多數探棒旨在符合特定示波器型號的輸入。但是，不同的示波器，甚至同一示波器的不同輸入通道之間，都存在細微的差異。為了在必要時處理這個問題，許多探棒，尤其是衰減探棒 (10X 和 100X 探棒)，均有內建的補償網路。
如果您的探棒具有補償網路，則應調整此網路以針對您正在使用的示波器通道補償探棒。為此，請使用以下程序：
- 將探棒連接到示波器。
- 將探棒頭連接到示波器前面板上的探棒補償測試點 (圖 1.10)。
- 使用探棒隨附的調整工具或其他非磁性調整工具調整補償網路，以取得平頂、無過衝或圓角的校準波形顯示 (圖 1.11)。
- 如果示波器具有內建校準程序，請執行此程序以提高準確度。
未補償的探棒會導致各種量測誤差，尤其是在量測脈衝上升或下降時間時。為避免此類錯誤，請務必在將探棒連接到示波器後立即對其進行補償，並經常檢查補償情況。
此外，您應在每次更換探棒頭轉接器時均檢查探棒補償。
盡可能使用合適的探棒轉接器
適用於待測電路的探棒頭轉接器可使探棒連接快速、方便、電氣可重複和穩定。不幸的是，焊接到電路點的短線代替探棒轉接器的情況並不少見
問題是，即使是一、兩英寸的電線也會在高頻下引起顯著的阻抗變化。其效果如圖 1.12 所示，其中會透過直接接觸探棒頭來量測電路，然後再透過電路和探棒頭之間的一小段導線進行量測。
保持接地導線盡可能短且直。
在進行效能檢查或對大型電路板或系統進行疑難排解時，延長探棒的接地線可能很誘人。延長的接地線可讓您一次就接地，並在您查看各種測試點時在系統周圍自由移動探棒。但是，延長接地線的附加電感會導致快速轉換波形上出現振鈴。如圖 1.13 所示，其中顯示了在使用標準探棒接地線和延長接地線時進行的波形量測。
摘要
在第一章中，我們已嘗試提供正確選擇探棒和正確使用探棒所需的所有基本資訊。在接下來的章節中，我們將擴展這些資訊，並介紹有關探棒和探測技術的更進階資訊。