示波器探棒終極指南：探棒補償、接地、阻抗匹配與差動量測實戰技巧

如何正確使用示波器探棒：專業操作技巧

作者：R&S, Paul Denisowski，產品管理工程師

示波器的讀值總是不準？問題很可能出在探棒操作上，本文直接點出 8 個確保量測精準的關鍵技巧，內容涵蓋基礎的被動探棒補償、進階的電流探棒消磁等核心知識，幫你快速抓到問題、避開量測陷阱。

示波器探棒的類型

示波器探棒主要可分為兩大類型：主動式與被動式。兩者之間的選擇，是在通用性與成本效益和專業化的高效能之間進行權衡。

被動探棒的結構與使用方式都非常直接，它們無需外部電源即可運作，使其在成本效益上極具優勢。其特性包括高可靠性、堅固耐用且極易上手：只需將其連接至示波器，夾上接地線，即可立即開始量測。一套被動探棒通常會作為標準配件隨示波器提供，使其能隨時應對各種基礎的量測任務。

另一方面，主動探棒則為量測工作帶來了更高水準的精準度與效能。顧名思義，這類探棒內部整合了需要供電的主動元件，使其能夠精準地處理高頻訊號，並將探棒對待測物的負載效應降至最低。這也表示它們的價格較為昂貴，但其寬廣的應用彈性與卓越的靈敏度，使其在要求高精確度的高速數位或射頻應用中，成為不可或缺的精密工具。

最終，選擇被動或主動探棒，取決於您當前任務的具體需求，這是在量測訊號的特性、您的預算以及期望的效能水準之間，進行專業判斷的結果。

被動探棒

主動探棒

被動示波器探棒的補償

被動探棒的補償是確保示波器量測準確性與可靠性的首要步驟，當示波器連接至一支未經適當補償的被動探棒時，將導致波形出現嚴重的失真，例如：方波的邊角鈍化或產生非預期的突波，這種失真在訊號頻率較高時會變得特別顯著，進而嚴重影響所量測訊號的保真度；透過補償程序微調探棒的電容，其目標是獲得一個平坦且精確的頻率響應，確保在示波器的整個可用頻寬內都能得到真實的訊號呈現。

補償過程的核心，在於調整被動探棒內部的可變電容，使其與示波器通道的輸入電容精確匹配，為此，大多數示波器都內建一個標準的 1000 Hz 方波產生器，作為探棒補償的參考訊號源。

1. 將探棒的探針穩固地連接至示波器的補償訊號源輸出端。

2. 將探棒的接地線夾連接至對應的接地點。

3. 設定示波器，使其自動調整並清晰地顯示探棒補償的輸出波形。

4. 使用一支非導電的專用調整工具，插入探棒補償盒上的調整孔中。

5. 緩慢旋轉此工具以調整探棒的內部電容，直到螢幕上顯示的方波盡可能呈現完美的矩形。

   
   

如何補償被動探棒

當所顯示補償訊號的頂部與底部完全呈現水平，且邊角銳利無變形時，即表示探棒已得到最佳補償。過度補償的探棒會在訊號的上升邊緣出現明顯的過衝 (Overshoot) 尖峰；而補償不足的探棒則會在上升邊緣呈現緩慢的下垂 (Droop)，為修正此問題，必須仔細微調補償電容，直到波形邊緣呈現清晰的直角，通常，這種精細調整僅需極小角度的旋轉即可完成。

顯示的補償訊號

搭配被動示波器探棒時，使用盡可能短的接地線

使用被動探棒時，另一個至關重要的技巧是將接地迴路的長度縮至最短。被動探棒以「單端 (Single-ended)」模式運作，量測的是訊號點相對於參考地的電壓，因此極度依賴一個穩固的接地連接。此連接通常透過帶有鱷魚夾的接地線來建立，而保持這條導線盡可能地短是確保訊號完整性的關鍵。過長的接地線會形成一個接地迴路，不僅會像天線一樣耦合環境中的雜訊，更會為量測路徑引入顯著的寄生電感；此電感會與探棒的輸入電容形成諧振，進而在高頻方波訊號中引起振鈴 (Ringing)、過衝或下衝等嚴重的失真。請注意，當量測點附近有接地點時，應優先選用套入式的彈簧接地短針，以最大程度地縮短接地路徑，獲取最乾淨的訊號。

長接地線所引起的電感效應

選擇正確的輸入阻抗

現在，讓我們深入探討通道輸入阻抗的設定。部分示波器允許使用者在 50 歐姆 (Ω) 與 1 百萬歐姆 (MΩ) 兩種輸入阻抗之間進行選擇。為了確保訊號的完整性並防止訊號反射，選擇與訊號源或傳輸線路相匹配的輸入阻-抗，這個過程稱為「端接 (Termination)」；此設定可透過示波器介面，針對每個通道獨立進行。示波器輸入的「標準」阻抗通常設定為 1 MΩ，這是搭配高阻抗被動探棒使用時的正確選擇。

然而，當您使用主動探棒、低阻抗 Z0 探棒，或透過 BNC 同軸纜線直接連接訊號產生器等設備時，可選的 50 Ω 端接就變得至關重要。許多測試儀器與射頻裝置都採用 50 Ω 作為其標準的特徵阻抗。選擇正確的輸入阻抗極為關鍵，因為不匹配的設定會直接扭曲量測到的訊號振幅；舉例來說，若將一個預期 50 Ω 端接的訊號源連接至 1 MΩ 輸入，您可能會觀察到理論值的兩倍電壓。

最後需特別注意的是，兩種端接設定下的最大安全輸入電壓規格可能存在巨大差異；相較於 1 MΩ，將輸入設定為 50 Ω 通常會大幅降低其最大耐受電壓。若您的示波器不支援原生的 50 Ω 端接，可以選用外部的 50 Ω 穿透式端接器 (Feedthrough Adapter) 來實現此功能。

部分示波器具備可選擇的通道輸入阻抗

電流探棒的消磁與歸零

接下來將焦點轉向電流探棒。一個必須了解的物理特性是，電流探棒內部的鐵磁核心，即使在沒有任何電流通的情況下，也可能殘留磁性或「磁通量」；此現象在探棒量測過強大的直流電流或開關電流後尤其常見；殘留的磁性會為量測結果引入一個不必要的直流偏移量 (DC Offset)，直接影響量測的絕對準確性；為此，大多數電流探棒都配備了消磁（Degauss）功能，可直接在探棒上或透過示波器介面啟動。

啟動後，消磁程序會產生一個特殊的交變衰減磁場，用以「中和」探棒核心中任何殘留的磁性；這通常是一個極為快速的過程，僅需數秒即可完成；因此，在進行精密量測或探棒歸零之前，務必先執行消磁程序，這是一個確保量測品質的良好習慣。

只需一鍵即可完成消磁

透過增加繞線圈數提升靈敏度

這裡提供一個提升電流量測解析度的實用技巧：您可以將待測導線在探棒的感應環中纏繞多次，以有效提高量測靈敏度。探棒的靈敏度會隨著繞線圈數成線性正比增加；例如，將導線纏繞四圈，可將實際的靈敏度（或訊噪比）提升為原來的四倍。由於示波器無法自動偵測繞線圈數，您必須在探棒設定中手動輸入對應的比例因子（例如 4X），以確保讀值正確。

雖然增加繞線會提高插入阻抗（其增加幅度約為圈數的平方），但在量測低電平電流時，其影響通常微乎其微。因為相較於待測電路本身的阻抗，增加後的插入阻抗仍然相對很小，並不會對量測的準確性造成實質影響。

將導線穿繞探棒以提升靈敏度

為功率量測校正探棒的延遲（Deskewing）

在進行動態功率量測時，通常需要同時使用電流探棒與電壓探棒，因為瞬時功率的計算（P = V x I）需要精確的電壓與電流波形；然而，由於訊號通過不同類型探棒（電壓與電流）的物理路徑與內部電路不同，其傳播延遲 (Propagation Delay) 也會存在微小差異；這會在量測到的電壓和電流波形之間，引入一個時間上的偏移，即「偏斜 (Skew)」；即使只是幾奈秒（ns）的偏斜，也可能導致瞬時功率與總功率的計算出現嚴重誤差。

解決方案是使用專門的延遲校正治具 (Deskew Fixture)；它能產生時間上完美對齊的參考電壓與電流脈衝，供連接的探棒同時量測。若示波器上的波形顯示出任何時間差，便可精確量測此偏斜值，並在示波器的通道設定中輸入對應的延遲校正值；此步驟能將電流與電壓波形在時間軸上重新對齊，大幅提升功率量測的準確性。

延遲校正（Deskewing）前後的比較

使用差動探棒進行浮動量測

標準的示波器探棒量測的是訊號點相對於系統地的電壓，這稱為「單端量測 (Single-ended Measurement)」；然而，當您需要量測兩個均未接地之元件節點之間的電壓差時，例如在交換式電源的橋式電路上，「差動量測 (Differential Measurement)」就變得不可或缺，這類量測也常被稱為「浮動量測 (Floating Measurement)」。

執行差動量測的權宜之計是使用兩支單端探棒，在兩個不同的點上分別對地量測，然後利用示波器的數學運算功能將兩個電壓波形相減，這被稱為「偽差動 (Quasi-differential)」量測，但其共模抑制比 (CMRR) 較差，容易受雜訊影響。

一個更專業且精確的方法是使用專用的差動探棒，其內部配備了精密的差動放大器。這種探棒能直接量測並輸出兩個輸入端點之間的真實電壓差，差動探棒在浮動量測中表現卓越，原因如下：

• 它們可以在電路中的任意兩個節點之間進行安全、精確的量測。

• 它們提供極高的共模抑制比，能有效濾除同時存在於兩個輸入端的共模雜訊，提供更乾淨的訊號。

• 在防止因意外接地（例如將單端探棒的接地夾誤觸高電位點）所導致的短路或設備損壞方面，它們扮演了保護待測物與操作人員安全的關鍵角色。

使用差動探棒

運用主動探棒應對具挑戰性的量測

我們的最後一個技巧是：當您面對更具挑戰性的量測任務時，請務必選用主動探棒。如前所述，主動探棒在探針尖端內建了需要供電的主動元件，通常是一個場效電晶體 (FET)，此設計使其擁有遠低於被動探棒的輸入電容，這種低電容特性帶來了兩大決定性的優勢：

• 它能將對待測電路的負載效應降至最低。高頻電路對電容性負載極為敏感，過大的探棒電容會改變電路原有特性，導致量測失準。主動探棒能更忠實地重現原始訊號，並將對電路運作的干擾降到最低。

• 它提供了更高的可用頻寬，這對於準確量測高速數位訊號至關重要，特別是那些含有豐富高頻諧波的訊號，如方波或高速脈衝波。

此外，許多主動探棒還能施加一個範圍寬廣的直流偏壓 (DC Offset)，當需要精確量測疊加在較大直流電壓上的微小交流訊號時（例如交換式電源輸出端的漣波），此功能極具價值，它能讓示波器將微小的訊號放大到螢幕中心進行詳細觀測。

總結

• 補償被動探棒是確保量測準確性的第一步，務必在每次使用前進行檢查與調整。

• 使用被動探棒時，務必採用盡可能短的接地線，以避免高頻下的振鈴與雜訊干擾。

• 根據您的探棒與訊號源，務必為示波器通道選擇正確的輸入阻抗（1 MΩ 或 50 Ω）。

• 在精密量測或歸零前，養成對電流探棒進行消磁的習慣，以消除殘磁導致的偏移。

• 可透過將導線纏繞電流探棒的方式，有效提升低電流量測的靈敏度與解析度。

• 在進行功率量測時，使用延遲校正治具 (Deskew) 來對齊電壓與電流探棒，是確保結果準確的關鍵。

• 對於浮動或非接地訊號的量測，應使用專用的差動探棒以獲得最佳的精度與安全性。

• 面對高速訊號或需要極低負載的應用時，請選用主動探棒以獲取最高的訊號完整性。

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