示波器探測需要避免的七大常見錯誤
在理想情況下，所有示波器探頭都應該是一條不會對被測設備產生任何干擾的導線，當連接到您的電路時，具有無窮大的輸入電阻，而電容和電感為零。這樣將會精確復制被測信號。但現實情況是，示波器探頭會給電路帶來負載效應。探頭上的電阻、電容和電感元件可能改變被測電路的響應。
每個電路都不盡相同，它們有自己的電氣特性。因此，每次探測設備時，都需要考慮示波器探頭的特性并選擇對測量影響最小的探頭。考慮的范圍包括從示波器輸入端通過電纜到被測設備上特定連接點的完整連接，也包括用于連接到測試點的任何附件或附加導線和焊接。
錯誤 1 - 沒有校準探頭
探頭在交付給您之前已進行過校準，但它們沒有針對示波器前端進行校準。如果它們未在示波器輸入端上進行校準，那么就無法得到測量結果。
示波器有源探頭
如果您的有源探頭沒有針對示波器進行校準，您將看到垂直電壓測量結果和上升沿時序（以及可能的一些失真）出現差異。大多數示波器具有參考或輔助輸出功能，還配有指南來引導您完成探頭校準。
圖 1 顯示了通道 1（黃色跡線）上的 SMA 電纜和適配器輸入到示波器的 50 MHz信號。綠色跡線是通過通道 2 上的有源探頭輸入到示波器的同一信號。請注意，通道 1 上的發生器輸出為 1.04 Vpp（伏特峰峰值），通道 2 上探測到的信號為 965 mV （毫伏）。另外，通道 1 與通道 2 的偏移高達 3 ms（毫秒），所以上升時間根本不能排成一行。
圖 1：發生器輸出和探測到的信號。
如果我們校準這個探頭，結果將大為改善。您可以在圖 2 中看到經過適當幅度和偏移校準后的結果。幅度現在改善為 972 mVpp，偏移得到了糾正，兩個上升時間保持一致。
圖 2：經過幅度和偏移校準后。
示波器無源探頭
可以調節探頭的可變電容，使補償與正在使用的示波器輸入完美匹配。大多數示波器都有可以用于校準或參考的方波輸出。探測這個連接，檢查波形是否為方形。根據需要調整可變電容，以消除所有下沖或過沖。
技巧：示波器可能有調節探頭補償的功能，您也可以手動更改。
將探頭校準到與示波器保持一致，以獲得被測信號最準確的表示。
錯誤 2 - 增加探頭負載效應
只要將探頭連接到示波器并將它與您的設備接觸，探頭就會成為電路的一部分。探頭對您的設備施加的電阻、電容和電感負載效應會影響您在示波器屏幕上看到的信號。這些負載效應可能會改變被測電路的工作狀態。了解這些負載效應，有助于您避免為特定的電路或系統選擇錯誤探頭。探頭具有電阻、電容和電感特性，如圖 3 所示。
圖 3：探頭的基本電路。
為了接觸到周圍環境過于狹小的探測點，可能需要想方設法添加長引線或電線。但是，為探頭添加附件或探針會降低帶寬、增加負載效應，進而導致頻率響應不再 平坦。
通常，探針的輸入線或引線越長，帶寬減小得就越大。較窄帶寬的測量可能不會受到太大影響，但在進行較寬帶寬的測量時，特別是在 1 GHz 以上時，需要謹慎選擇使用的探針和附件。隨著探頭帶寬降低，您將失去測量快速上升時間的能力。圖 4 演示了隨著附件長度的增加，示波器顯示的上升時間是如何變慢的。為了進行最準確的測量，最好使用盡量短的探針。
圖 4：不同的探頭引線長度對應的探頭負載效應。
使用盡量短的引線來保持探頭的帶寬和精度。
另外，最好要使用較短的接地引線，因為它們越長，引入的電感就越多。保持接地線盡量短并盡量靠近系統接地點，以便確保可重復和準確的測量。
技巧：如果必須在探針上添加導線才能接觸到難以到達的探測點，那么最好為探針添加一個電阻，以減弱所添加的導線引起的諧振。添加長引線時，您可能無法解決帶寬限制問題，但可以將頻率響應變平坦。為了確定將要使用的電阻大小，可以探測一個已知方波，例如示波器上提供的參考方波。如果電阻設置正確，您將會看到一個干凈的方波（除了其帶寬可能受限之外）。如果信號發生振鈴，請增加電阻的大小。單端探頭只需要在探針處增加一個電阻。如果您使用的是差分探頭，請為每根引線添加一個電阻。
圖 5：在探針上增加一個電阻，可以克服長探頭連接所引起的諧振，減少振鈴和過沖。但是，它不能解決由于添加引線導致的帶寬限制。
使用電阻抑制因長探頭引線導致的峰值。
錯誤 3 - 沒有充分利用您的差分探頭
許多人認為只有在探測差分信號時才使用差分探頭。您是否知道，在探測單端信號時，也可以使用差分探頭？這將為您節省大量時間和金錢，并提高測量的準確性。最大限度地利用差分探頭，獲得盡量最好的信號保真度。
差分探頭可以進行與單端探頭相同的測量，并且由于差分探頭在兩個輸入端上有共模抑制，所以差分測量結果的噪聲大為減少。這使您可以看到被測設備信號的更好表示，而不會被探測所增加的隨機噪聲誤導。
請看下一頁圖 6 中的藍色單端測量信號和圖 7 中的紅色差分測量信號。藍色的單端測量結果與紅色的差分測量結果相比，噪聲要多得多，因為單端探頭缺少共模校正功能。
圖 6：單端測量
圖 7：差分測量
差分探頭可以執行與單端探頭相同類型的測量，但共模抑制功能使其噪聲明顯降低。
錯誤 4 - 選擇了錯誤的電流探頭
大電流和小電流測量需要捕獲的細節并不相同。您需要知道為應用選擇哪種電流探頭更合適，以及使用錯誤的探頭可能會遇到哪些麻煩。
大電流測量：
如果使用鉗形探頭測量大電流（10A - 3000A），那么您的設備必須足夠小，使鉗形探頭能夠夾住它。如果設備太大使得鉗形探頭無法夾住，那么工程師可能會想辦法在探頭鉗夾上添加額外的導線，但這會改變被測設備的特性。更好的辦法是使用合適的工具。
最好的解決方案是使用具有柔性回路探頭前端的大電流探頭。您可以將該柔性回路纏繞到任何設備上。這種探頭叫做 Rogowski 線圈。它可以讓您在不添加未知特性元器件的情況下探測設備，使測量結果保持高度的信號完整性。它們還使您能夠測量從 mA 級到數百 kA 的大電流。請注意，它們只測量交流電流，所以直流分量將被隔離。它們的靈敏度也低于某些電流探頭。這對于大電流測量來說通常不是問題。但是在測量小電流時，靈敏度和查看直流分量的能力就變得很重要。請記住，對一種測量有效的方式并不一定適用于另一種測量。
圖 8：纏繞到元器件上的 Rogowski 探針。
使用適合被測設備的大電流探頭。
小電流測量
如果測量電池供電設備的電流，則動態范圍會有很大差異。如果電池供電設備處于空閑狀態或僅處理少量后臺任務，其電流峰值會很小。當設備切換到更為活躍的狀態時，電流峰值會大幅提高。使用垂直標度較大的示波器設置，您可以測量大信號，但小電流信號將被測量噪聲掩蓋。另一方面，如果您使用較小的垂直標度設置，那么大信號會削波，您的測量結果也將失真并失效。
選擇的電流探頭應該不僅能夠測量從 μA 到 A 的寬量程，還可以使用多個放大器同時查看大小電流偏差。探頭中的兩個可變增益放大器允許您設置放大視圖以查看小電流波動，還可以縮小視圖以同時查看大電流尖峰（參見圖 9）。
圖 9：配有兩個可變增益放大器的電流探頭讓您可以一次同時查看大小電流偏差。本例中展示的是 Keysight
N2820A/21A 高靈敏度電流探頭。
使用具有足夠靈敏度和動態范圍的小電流探頭來捕捉信號的所有方面內容和細節。
錯誤 5 - 在紋波和噪聲測量期間會錯誤地處理直流偏置
直流電源上的紋波和噪聲是由較大直流信號上的小交流信號形成的。當直流偏置較大時，您可能需要在示波器上使用較大的每格電壓設置才能在屏幕上顯示信號。與小交流信號相比，這樣做會降低測量的靈敏度并增加噪聲。這意味著您無法獲得信號交流部分的準確表示。
如果使用隔直流電容器來解決這個問題，那么將不可避免地阻隔部分低頻交流內容，使您無法觀察到信號在經過設備上的元器件時發生的變化。
使用具有較大偏置功能的電源探頭，可以將波形置于屏幕中間，而無需移除直流偏置。這樣可以讓整個波形都顯示在屏幕上，同時保持垂直標度較小且處于放大狀態。通過這些設置，您可以查看瞬態、紋波和噪聲的細節。
使用具有較大偏置功能的電源探頭，可以不用消除信號的直流部分，便能查看瞬態、紋波和噪聲的細節。
錯誤 6 - 未知的帶寬限制
在進行重要測量時，務必選擇具有足夠帶寬的探頭。帶寬不足會使信號失真，使您很難做出明智的工程測試或設計決定。
普遍接受的帶寬計算公式為：評測從 10％ 到 90％ 的上升沿時，帶寬乘以上升時間等于 0.35。
值得注意的是，您的整個系統帶寬也是需要考慮的重要因素。探頭和示波器的帶寬都要考慮，從而確定系統帶寬。計算系統帶寬的公式如下所示。
例如，假設您的示波器和探頭帶寬均為 500 MHz。使用上面的公式可知，系統帶寬將為 353 MHz。您可以看到，與探頭和示波器的兩個單獨帶寬相比，系統帶寬大大降低。
現在，如果探頭帶寬僅為300 MHz，示波器帶寬仍為 500 MHz，那么應用上述公式，系統帶寬進一步降至 257 MHz。
探頭和示波器組成了一個“系統”，對帶寬的整體影響比它們單獨的影響都要大。
錯誤 7 - 被掩蓋的噪聲影響
探頭和示波器的噪聲可能會導致被測設備的噪聲顯得更大。為您的應用選擇具有合適衰減比的探頭，將會減小探頭和示波器所添加的噪聲。因此，您就能夠獲得更準確的信號，更清晰地查看被測設備的情況。
許多探頭制造商將探頭噪聲描述為等效輸入噪聲（EIN），并以 Vrms 為單位表示。較高的衰減比使您可以測量較大的信號，但缺點是示波器將檢測到這些比率并同時放大信號及其噪聲。為了了解這一效應的實際結果，圖 10 中的綠色跡線顯示了使用 10:1 探頭放大后的噪聲。
圖 10：使用 1:1 和 10:1 探頭測得的 50 mVp-p 正弦波。
有一種方法可以簡單地估算探頭噪聲大小，這就是從探頭的技術資料或手冊中檢索該探頭的衰減比和探頭噪聲電平。
每個電路和測試環境都各不相同。在一個環境中有效的探頭，在另一個環境中不一定仍有效。在有些使用場景中，使用附件是可以接受的。但在其他場景中，只有采用與被測設備最簡單、最短的連接，才能實現成功測量。有些變通的測量方法對測試結果的影響相對較小。因此，您必須了解在每個測試場景中，使用何種工具和技術可以得到準確的測試結果。
