【技术】示波器探头接地会影响测量的准确性吗？

时间： 2023-09-21 来源：KEYSIGHT知乎

使用示波器时，您可能会遇到与探测相关的问题。这些问题体现在两个类别：探头负载和探头接地。探头负载问题通常会影响被测设备，而示波器探头接地问题则会影响到测量仪器的数据的准确性。

探头的设计将第一个探头负载问题最小化，而第二个问题可通过积累探测经验来解决。

首先问一个问题：示波器探头接地就是接地吗？

这一说法不言而喻，但对示波器探头而言，这可能并不确切。探头的接地方式会出现错误。探头的接地引线具有电感属性，它的阻抗随着频率的增加而增加。探头接地引线越长，其电感越大，频率也越低，在低频率下阻抗会出现问题。沿着探头的屏蔽向下返回的电流会遇到此阻抗。这会使得探头带宽降低，造成可观察到的信号振铃。此外，接地引线越长，引线造成的环路越大，它也变成拾取杂散噪声的更大天线。最好是始终采用尽可能短的接地连接。

示波器探头输入阻抗

逻辑探头是无源探头，它提供高输入阻抗和高带宽。它们经常向示波器提供信号的一些衰减量，通常20dB。

无源探头输入阻抗通常根据并行容量和阻抗指定。阻抗是端部电阻值和测试仪器的输入阻抗的总和（请参见下图）。

容量是端部补偿电容器和电缆加上与杂散端部电容并行接地的仪器电容的系列组合。当这导致输入阻抗规格的准确型号用于直流和低频，探头输入的高频型号更有用。该高频型号考虑纯端部接地电容和系列端部阻抗以及电缆的特有阻抗(Zo)。

图 1直流和低频探头等效电路

图 2高频探头等效电路

两种型号的阻抗图显示在这些图中。通过将这两个图比较，您可以看到系列端部电阻和电缆的特有阻抗都明显地展开输入阻抗。杂散端部电容通常较小(1pF)，在阻抗图上设置最终中断点。

图 3两个探头电路型号的阻抗和频率

逻辑探头以上面显示的高频电路型号表示。它们设计为提供尽可能多的系列端部阻抗。通过探头端部组件的适当机械设计，杂散端部接地电容将最小化。这提供了高频的最大输入阻抗。

示波器探头接地

示波器探头接地是电流从探头返回源的低阻抗路径。增加该路径的长度将在高频时创建探头输入的大共模电压。根据下列方程式，产生电压的行为就好像该路径是一个感应器:

公式 1

增加接地感应(L)、增加电流(di)或降低转换时间(dt)都将导致电压增加(V)。当此电压超过示波器定义的阈值电压时，将出现错误的数据测量。

将一个探头接地与许多探头共享将强制流向每个探头的所有电流返回时流经该探头（其接地返回被共用）的共用接地感应。结果是在上面的方程式中电流增大(di)，且根据转换时间(dt)，共模电压可能增加到一个会产生错误数据的水平。

图 4 共模输入电压模型

除共模电压外，长接地回路也会降低探头系统的脉冲保真度。上升时间增加，振铃由于探头输入处的干燥LC电路也会增加。因为数字通道显示重建了波形，它们不会显示振铃和扰动。通过检查波形显示，您不会发现接地问题。事实上，可能通过杂乱的毛刺或矛盾的数据测量发现问题。使用模拟通道来查看振铃和扰动。

示波器探头的最佳探测习惯

由于变量L、di和dt，您可能无法确定在测量设置中有多少余量。下面指导您样成好的示波器探头探测习惯：

•如果使用组中的任意通道捕获数据，每个数字通道组（D15–D8和D7–D0）的接地导线应该连接到被测设备的接地。

•在嘈杂的环境中捕获数据时，除了通道组的接地之外，应该使用每三个数字通道探头的接地。

•高速定时测量（上升时间<3ns）应该使用每个数字通道探头自己的接地。

设计高速数字系统时，您应该考虑设计直接面向仪器探头系统的专用测试端口。这将使得测量设置更容易并可重复用来获取测试数据。01650-61607 16通道逻辑探头和01650-63203端子适配器的设计可以更容易地连接到工业标准20针电路板连接器。电缆是2m逻辑分析仪探头电缆，端子适配器可通过一个非常方便的软件包提供正确的RC网络。

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