示波器作為通用的測(cè)量?jī)x器，它的使用離不開(kāi)與之相配套的探頭，而面對(duì)種類(lèi)繁多的探頭，如何合適的選擇和正確的使用決定了是否能夠準(zhǔn)確安全可靠的測(cè)量測(cè)試。本篇文章就示波器探頭的選擇和使用展開(kāi)論述。

接地信號(hào)的測(cè)量

對(duì)于接地信號(hào)的測(cè)量，通常使用橫河示波器配套的無(wú)源探頭701937或701939，即可應(yīng)對(duì)大部分的測(cè)量情況。但在使用時(shí)應(yīng)注意探頭的接地情況。

首先不應(yīng)隨意更換探頭自帶的接地線，避免接地線連接不良而引入工頻噪聲，同時(shí)其自帶的較短的接地線也避免了接地線過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生寄生電感，影響高頻測(cè)量使波形失真。

其次被測(cè)信號(hào)的參考地須和示波器是共地的，且盡可能和示波器是單點(diǎn)接地的，避免過(guò)長(zhǎng)的地環(huán)路引入的寄生電感，對(duì)高頻信號(hào)測(cè)量的影響。

差分信號(hào)的測(cè)量

提到差分信號(hào)的測(cè)量，我們第一時(shí)間想到的會(huì)是使用差分探頭進(jìn)行測(cè)量。差分探頭無(wú)疑是測(cè)量差分信號(hào)的最優(yōu)選擇，但在實(shí)際使用時(shí)，有一部分用戶(hù)會(huì)拔去示波器接地端，通過(guò)浮地的方法測(cè)量——這種方法是絕對(duì)禁止!

姑且不說(shuō)這種測(cè)量對(duì)可靠性的影響(較高頻的測(cè)量時(shí),可能會(huì)存在較大的寄生電容,使波形失真)，它本身就不符合儀器的安規(guī)要求!不僅可能對(duì)示波器造成不可逆的損壞，更會(huì)對(duì)操作人員產(chǎn)生潛在危險(xiǎn)，實(shí)際上我們也收到了不少由于示波器未接地或是接地不良而導(dǎo)致示波器基板燒壞的故障報(bào)告。

示波器USB通信接口燒壞

因此差分信號(hào)的測(cè)量還是需要用到差分探頭，如橫河701977系列的差分探頭測(cè)量高壓差分信號(hào)或是橫河701925差分探頭測(cè)量高速差分信號(hào)。除了使用差分探頭測(cè)量，我們還可以使用兩個(gè)無(wú)源探頭測(cè)量差分信號(hào)，這種方法可行但也是不推薦的，詳見(jiàn)下文。

雙無(wú)源探頭測(cè)量差分信號(hào)

我們可以調(diào)用示波器的函數(shù)功能，參數(shù)選擇S1(CH1)-S2(CH2)，將兩個(gè)同型號(hào)的無(wú)源探頭接至被測(cè)的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)和示波器的CH1、CH2——使用這種測(cè)量方法的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)必須是參考地電平的，因此無(wú)源探頭的接地須參照前文提到的接地方法。

通過(guò)這種方法可以得到一個(gè)經(jīng)過(guò)函數(shù)運(yùn)算的波形，該波形即為此方法測(cè)得的差分信號(hào)的波形。顯而易見(jiàn)，這種方法需要占用示波器的兩個(gè)通道，且會(huì)受到較大的共模噪聲的影響。

這里采用上述的測(cè)量方法，將兩個(gè)全新的701937無(wú)源探頭的輸入端均接至同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的輸出端，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出0V，我們可以看到示波器上經(jīng)過(guò)運(yùn)算顯示的是一個(gè)1.90V基準(zhǔn)噪聲的信號(hào)。

標(biāo)準(zhǔn)源輸出0V時(shí)經(jīng)示波器運(yùn)算的波形(紅色)

當(dāng)我們將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出一個(gè)220V60Hz的正弦波，我們可以看到示波器上顯示的波形除了基準(zhǔn)噪聲還疊加了一個(gè)60Hz的正弦波，使噪聲上升至2.73V。

標(biāo)準(zhǔn)源輸出220V60Hz時(shí)經(jīng)示波器運(yùn)算的波形(紅色)

這個(gè)正弦波噪聲的源頭正是源于兩個(gè)無(wú)源探頭之間的差異以及示波器通道之間的差異，而這就是通過(guò)上述方式測(cè)得的共模噪聲：

令該方法測(cè)得的差分信號(hào)：

那么這種方法產(chǎn)生的共模噪聲抑制比：

這還是在較為理想的狀態(tài)下，使用兩個(gè)全新的同型號(hào)無(wú)源探頭測(cè)量低頻的信號(hào)，若是使用老舊的同型號(hào)無(wú)源探頭或是測(cè)量高頻信號(hào)，則共模噪聲往往會(huì)遠(yuǎn)高于上述值，因此共模噪聲抑制比也會(huì)遠(yuǎn)低于上述值。

共模噪聲抑制比(CMRR)

差分探頭和其他探頭相比，有一個(gè)獨(dú)有的參數(shù)，那就是共模噪聲抑制比(CMRR)。

共模噪聲抑制比即差模信號(hào)與共模噪聲的比值，它反應(yīng)了差分探頭對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，這個(gè)數(shù)值越大，就說(shuō)明探頭對(duì)共模信號(hào)的抑制能力越好。

在差分測(cè)量中我們需要得到的是被測(cè)信號(hào)的差分成分，需要抑制的是被測(cè)信號(hào)的共模成分，因此測(cè)量差分信號(hào)時(shí)測(cè)得的共模成分自然是我們不需要的，那么它自然而然的就成為了噪聲成分。

差分探頭的設(shè)計(jì)使差分信號(hào)的兩個(gè)測(cè)量回路盡可能地成為鏡像，雖然鏡像的電路不可避免仍存在差異，因此共模噪聲的存在也不可避免，但是差分探頭的共模噪聲也要遠(yuǎn)小于前文中使用兩個(gè)無(wú)源探頭測(cè)量差分信號(hào)的共模噪聲。

以701977和701978為例，它們?cè)?0Hz時(shí)的共模噪聲抑制比可達(dá)到80dB(注：許多廠家標(biāo)注產(chǎn)品該參數(shù)時(shí)習(xí)慣于定義為共模噪聲與差模信號(hào)的比值，與通常的定義不同，因此會(huì)有負(fù)號(hào)，本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別)，換算成比值的形式為10000，即測(cè)得的差模信號(hào)為共模噪聲的一萬(wàn)倍，而實(shí)測(cè)值往往要比這個(gè)標(biāo)定的數(shù)值還要高，基本上可以忽略共模噪聲對(duì)差分信號(hào)的影響。

正是由于良好的共模噪聲抑制比，因此像701977和701978這樣的差分探頭是測(cè)量差分信號(hào)的最佳選擇，同樣也可用于接地信號(hào)的測(cè)量，使用差分探頭測(cè)量接地信號(hào)還會(huì)避免地環(huán)路對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

701977、701978規(guī)格參數(shù)

總結(jié)

測(cè)量接地信號(hào)時(shí)需注意探頭的良好接地，且盡可能縮短地環(huán)路來(lái)避免對(duì)高頻信號(hào)測(cè)量的影響;測(cè)量差分信號(hào)時(shí)，差分探頭無(wú)疑是最佳選擇，在測(cè)量低頻信號(hào)或是對(duì)測(cè)量波形的質(zhì)量要求不高時(shí)，也可以使用兩個(gè)同型號(hào)的無(wú)源探頭的測(cè)量方法，但無(wú)論何時(shí)都必須確保示波器的接地良好。