1 概述
示波器探頭對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性以及正確性至關(guān)重要，它是連接被測電路與示波器輸入端的電子部件。最簡單的探頭是連接被測電路與電子示波器輸入端的一根導(dǎo)線，復(fù)雜的探頭由阻容元件和有源器件組成。簡單的探頭沒有采取屏蔽措施很容易受到外界電磁場的干擾，而且本身等效電容較大，造成被測電路的負(fù)載增加，使被測信號失真。
1.1 示波器探頭的定義
本質(zhì)上，示波器探頭是在測試點(diǎn)或信號源和示波器之間建立了一條物理和電子連接；實(shí)際上，示波器探頭是把信號源連接到示波器輸入上的某類設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)，它必須在信號源和示波器輸入之間提供足夠方便優(yōu)質(zhì)的連接。連接的充分程度有三個(gè)關(guān)鍵的問題：物理連接、對電路操作的影響和信號傳輸。
1.2 示波器探頭的發(fā)展過程
在過去50年中，各種示波器探頭接口設(shè)計(jì)一直在不斷演進(jìn)，以滿足提高的儀器帶寬速度和測量性能要求。在最早的年代，通常使用香蕉式插頭和UHF型連接器。在20世紀(jì)60年代，普通BNC型連接器成為常用的探頭接口類型，因?yàn)锽NC體積更小、頻率更高。目前，BNC探頭接口仍用于測試和測量儀器設(shè)計(jì)，當(dāng)前更高質(zhì)量的BNC型連接器提供了接近4GHz的最大可用帶寬功能。
之后，某些廠家提出了普通BNC型探頭接口設(shè)計(jì)變通方案，在使用BNC連接器的同時(shí)，額外提供了一個(gè)模擬編碼的標(biāo)度系數(shù)檢測針腳，作為機(jī)械和電子接口設(shè)計(jì)的一部分，使得兼容的示波器能夠自動檢測和改變示波器顯示的垂直衰減范圍。
1.3 示波器探頭的結(jié)構(gòu)形式
大多數(shù)探頭由探頭頭部、探頭電纜、補(bǔ)償設(shè)備或其他信號調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)和探頭連接頭組成。如圖1所示。

圖1 探頭的結(jié)構(gòu)形式
為進(jìn)行示波器測量，必須先能夠在物理上把探頭連接到測試點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，大多數(shù)探頭至少有一兩米長的相關(guān)電纜，如圖1所示。但是探頭電纜降低了探頭帶寬：電纜越長，下降的幅度越大。除了一兩米長的電纜外，大多數(shù)探頭還有一個(gè)探頭頭部或帶探針的把手，探頭頭部可以固定探頭，用戶則可以移動探針，與測試點(diǎn)接觸。通常這一探針采用彈簧支撐的掛鉤形式，可以把探頭實(shí)際連接到測試點(diǎn)上。
為了獲得可用的測量結(jié)果，探針上的信號必須通過探頭頭部和電纜，以足夠的保真度傳送到示波器的輸入。
2 示波器探頭的主要分類和各類探頭的特點(diǎn)
市場上提供了數(shù)百種、甚至上千種不同的示波器探頭。示波器探頭的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)是頻率特性，按頻率劃分探頭的種類有其方便之處，但是示波器探頭的頻率覆蓋范圍有限很難按無線電頻率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段來劃分。示波器探頭是所有探頭中的一種，最常使用的探頭是電壓電流探頭，而探頭通常是按測量對象進(jìn)行分類的，具體分類如圖2所示：

2.1 無源電壓探頭
2.1.1 無源探頭
無源探頭由導(dǎo)線和連接器制成，在需要補(bǔ)償或衰減時(shí)，還包括電阻器和電容器。探頭中沒有有源器件（晶體管或放大器），因此不需為探頭供電。無源探頭一般是最堅(jiān)固、最經(jīng)濟(jì)的探頭，它們不僅使用簡便，而且使用廣泛。
2.1.2 高阻無源電壓探頭
從實(shí)際需要出發(fā)，使用最多的是電壓探頭，其中高阻無源電壓探頭占最大部分。無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)1×，10×和100×。在這些無源探頭中，10×無源電壓探頭是最常用的探頭。對信號幅度是1V峰峰值或更低的應(yīng)用，1×探頭可能要比較適合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信號混合（幾十毫伏到幾十伏）的應(yīng)用中，可切換1×/10×探頭要方便得多。但是，可切換1×/10×探頭在本質(zhì)上是一個(gè)產(chǎn)品中的兩個(gè)不同探頭，不僅其衰減系數(shù)不同，而且其帶寬、上升時(shí)間和阻抗（R和C）特點(diǎn)也不同。因此，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提供標(biāo)準(zhǔn)10×探頭實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)性能。
2.1.3 低阻無源電壓探頭
大多數(shù)高阻無源探頭的帶寬范圍在小于100MHz到500MHz或更高的帶寬之間。而低阻無源電壓探頭（又稱為50歐姆探頭、Zo探頭、分壓器探頭）的頻率特性很好，采用匹配同軸電纜的探頭，帶寬可達(dá)10GHz和100皮秒或更快的上升時(shí)間。這種探頭是為用于50歐姆環(huán)境中設(shè)計(jì)的，這些環(huán)境一般是高速設(shè)備檢定、微波通信和時(shí)域反射計(jì)（TDR）。
2.1.4 無源高壓探頭
“高壓”是相對的概念。從探頭角度看，我們可以把高壓定義為超過典型的通用10×無源探頭可以安全處理的電壓的任何電壓。高壓探頭要求具有良好的絕緣強(qiáng)度，保證使用者和示波器的安全。
2.2 有源電壓探頭

2.2.1 有源探頭
有源探頭包含或依賴有源器件，如晶體管。最常見的情況下，有源設(shè)備是一種場效應(yīng)晶體管（FET），它提供了非常低的輸入電容，低電容會在更寬的頻段上導(dǎo)致高輸入阻抗。可以從下面的Xc公式中看出：

2.2.2 有源FET探頭
有源FET探頭的規(guī)定帶寬一般在500MHz ～4GHz之間。除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻抗未知的測試點(diǎn)上進(jìn)行測量，而產(chǎn)生負(fù)荷效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)要低得多。另外，由于低電容降低了地線影響，可以使用更長的地線。
有源FET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動態(tài)范圍一般在±0.6V到±10V之間。
2.2.3 有源差分探頭
差分信號是互相參考，而不是參考接地的信號。差分探頭可測量浮置器件的信號，實(shí)質(zhì)上它是兩個(gè)對稱的電壓探頭組成，分別對地段有良好絕緣和較高阻抗。差分探頭可以在更寬的頻率范圍內(nèi)提供很高的共模抑制比（CMRR）。
2.3 電流探頭
從原理上來看，用電壓探頭測得電壓值，除以被測阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實(shí)際上這種測量引入的誤差很大，所以一般不采用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號電流磁通經(jīng)互感變壓器變換成電壓，再由探頭內(nèi)的放大器放大后送到示波器。
2.3.1 交流電流探頭
交流電流在互感器中，隨著電流方向的變化，產(chǎn)生電場的變化，并感應(yīng)出電壓。交流電流探頭屬于無源設(shè)備，無需外接供電。
2.3.2 直流電流探頭
傳統(tǒng)電流探頭只能測量交流交流信號，因?yàn)榉€(wěn)定的直流電流不能在互感器中感應(yīng)電流。然而，利用霍爾效應(yīng)，電流偏流的半導(dǎo)體設(shè)備將產(chǎn)生與直流電場對應(yīng)的電壓。所以，直流電流探頭是一種有源設(shè)備，需要外接供電。
所以電流探頭基本上分成兩類：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭通常是無源探頭，AC/DC電流探頭通常是有源探頭。
2.4 邏輯探頭
使用示波器觀察分析數(shù)字波形的模擬特點(diǎn)時(shí)，需要用到邏輯探頭，為隔離確切地成因，數(shù)字設(shè)計(jì)人員通常需要查看在具體邏輯條件下發(fā)生的特定數(shù)據(jù)脈沖，這要求邏輯觸發(fā)功能。如圖3為邏輯探頭示意圖，可以在大多數(shù)示波器中增加這種邏輯出發(fā)功能。

圖3 邏輯探頭示意圖
2.5 其他探頭
由于示波器的應(yīng)用范圍十分廣泛，所以除了上述的探頭類型外還有各種專用探頭，這些專業(yè)探頭根據(jù)其前端傳感器的不同而有不同的功用，下面我們介紹其中的兩種，僅供讀者了解。
光電探頭在原理上是普通電壓探頭與光電轉(zhuǎn)換器件的組合，可直接測量光器件和光纖傳輸?shù)墓庑盘枴?br>溫度探頭是普通電壓探頭與溫度傳感器的組合，可直接測量物體的溫度。溫度探頭屬傳感器探頭的一種，各種傳感器探頭與示波器配合可測量多種物理量。
3 示波器探頭對測量的影響
3.1 負(fù)載效應(yīng)
所謂負(fù)載效應(yīng)就是在被測電路上接入示波器時(shí)，有時(shí)示波器的輸入電阻會對被測電路產(chǎn)生影響，致使被測電路的信號發(fā)生變化。若負(fù)載效應(yīng)的影響很大，就不能準(zhǔn)確地進(jìn)行波形測量。若要減小負(fù)載效應(yīng)，就需要將示波器一端的輸入電阻增大。輸入電阻越大，輸入電容越小，負(fù)載效應(yīng)就越小。
在示波器測量中，另外一種負(fù)載效應(yīng)指的是探頭對被測電路的負(fù)載效應(yīng)，為保證測量的準(zhǔn)確性，需要減輕探頭對被測電路的負(fù)載效應(yīng)，不至影響到被測信號，因此應(yīng)選擇高輸入阻抗的探頭。探頭的輸入阻抗可以等效為電阻與電容的并聯(lián)。低頻時(shí)（1MHz以下）探頭的負(fù)載主要是阻抗作用；高頻時(shí)（10MHz以上）探頭的負(fù)載主要是容抗作用。為了減輕探頭對被測電路的負(fù)載作用，應(yīng)選擇高阻抗、低容抗的探頭，例如帶寬100MHz用的無源探頭，它的輸入電阻是1~10Ω，輸入電容是1~10pF。有源探頭的負(fù)載作用優(yōu)于無源探頭，頻率特性更好。
3.2 阻抗匹配
阻抗是電壓和電流之比，在理想情況下，對被測儀器進(jìn)行測試時(shí)不應(yīng)影響它的正常工作，測量值也應(yīng)和未接測試儀器時(shí)相同。當(dāng)連接儀器進(jìn)行測量時(shí)，要考慮阻抗對測量準(zhǔn)確性的影響，為了保證儀器之間能夠傳送最大的功率，阻抗應(yīng)該匹配。如果阻抗為純電阻，應(yīng)使輸入阻抗與輸出阻抗的值相等。如果阻抗包含電抗成分應(yīng)使負(fù)載的輸入阻抗與源的輸出阻抗共軛匹配，這時(shí)能夠傳送最大功率。
阻抗匹配的阻抗值通常和使用的傳輸線的特性阻抗值一致。對于射頻系統(tǒng)，一般采用50Ω阻抗。對于高阻抗儀器，由于等效并聯(lián)電容的存在，隨著頻率升高，并聯(lián)組合阻抗逐漸變小，將對被測電路形式負(fù)載。如1MΩ輸入阻抗，在頻率達(dá)到100MHz時(shí)，等效阻抗只有100Ω左右。因此，高帶寬的示波器一般都采用50Ω輸入阻抗，這樣可以保證示波器與源端的匹配。但是使用50Ω輸入阻抗時(shí)，必須考慮到50Ω輸入阻抗的負(fù)載效應(yīng)比較明顯，此時(shí)最好使用低電容的有源探頭。
3.3 電容負(fù)荷
隨著信號頻率或轉(zhuǎn)換速率提高，阻抗的電容成分變成主要因素。結(jié)果，電容負(fù)荷成為主要問題，特別是電容負(fù)荷會影響快速轉(zhuǎn)換波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間及波形中高頻成分幅度。
4 示波器探頭的主要技術(shù)指標(biāo)
4.1 帶寬和上升時(shí)間
探頭的帶寬是指導(dǎo)致探頭響應(yīng)輸出幅度下降到70.7%（-3dB）的頻率。上升時(shí)間是指探頭對步進(jìn)函數(shù)10~90%的響應(yīng)，表明了探頭可以從頭部到示波器輸入傳送的快速測量轉(zhuǎn)換。大多數(shù)探頭，帶寬與上升時(shí)間乘積接近0.35。在很多情況下，帶寬由脈沖上升時(shí)間驗(yàn)證來保證最小失真。
4.2 電容
探頭頭部電容指標(biāo)是指探頭探針上的電容，是探頭等效在被測電路測試點(diǎn)或被測設(shè)備上的電容。探頭對示波器一端也等效成一個(gè)電容，這個(gè)電容值應(yīng)該與示波器電容相匹配。對10×和100×探頭，這一電容稱為補(bǔ)償電容，它不同于探頭頭部電容。下面將繼續(xù)介紹補(bǔ)償電容。

4.3 畸變(Aberration)
畸變是輸入信號預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會立即發(fā)生畸變，其表現(xiàn)為所謂的“減幅振蕩”。沒有規(guī)定極限畸變的高頻探頭可以提供使人完全誤解的測量。存在畸變可以說明嚴(yán)重失真的帶寬和滾降(roll-off)特性。
4.4 衰減系數(shù)
當(dāng)正確接上終端時(shí)，探頭應(yīng)該有恒定的衰減系數(shù)。衰減系數(shù)是輸出信號對輸入信號的比值。某些探頭的可能會有可以選擇的衰減系數(shù)，典型的衰減系數(shù)是1×、10×和100×。1×檔和10×檔電路如圖4所示，這兩部分電路均由電阻電容組成。

4.5 探頭衰減補(bǔ)償
所謂探頭衰減補(bǔ)償是指當(dāng)示波器和探頭配合使用時(shí)，調(diào)整探頭中的可變電容，以使頻率達(dá)到相對穩(wěn)定。探頭補(bǔ)償意味著在探頭末端和示波器的輸入端之間頻率補(bǔ)償。探頭末端與示波器的輸入端的關(guān)系如圖5所示，調(diào)節(jié)C2可得如下關(guān)系：

圖5 電容探頭補(bǔ)償電路

示波器的輸入電阻雖然只有1MΩ，但是與其并聯(lián)的輸入電容卻根據(jù)機(jī)種的不同而有差異。即使是同一機(jī)種，每個(gè)通道上的輸入電容也不相同，所以，改變了示波器和探頭的組合，相應(yīng)的也要改變探頭的相位補(bǔ)償。
探頭校準(zhǔn)的方法如下：將探頭與探頭校準(zhǔn)的方波信號輸出端子相連，探頭的特性為最佳狀態(tài)時(shí)，如圖6中(a)所示，若出現(xiàn)(b)，(c)所示的情況，請用改錐調(diào)整探頭上的頻率補(bǔ)償微調(diào)電容器進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖6 探頭校準(zhǔn)示意圖
4.6 額定最大電壓
額定最大電壓由DC + peak AC決定，即輸出電壓的直流值和交流峰值的總和不能超過示波器的額定電壓最大值，如果超過這個(gè)額定最大電壓，會損壞探頭。
4.7 電壓額定值隨頻率的下降
電壓探頭在低頻時(shí)的最大輸入電壓有明確的規(guī)定，隨著頻率的增加輸入電壓會相應(yīng)降低。對于高頻探頭必須注意輸入電壓隨頻率的變化，在頻率高于1MHz時(shí)允許的輸入電壓隨頻率的增加而急劇下降。
5 最佳示波器探頭的選擇
探頭的特性和特點(diǎn)中最重要的參數(shù)就是帶寬和輸入阻抗，它們既要與示波器的帶寬和輸入阻抗匹配，又要將對被測電路的影響減到最小。因此選擇探頭時(shí)要綜合考慮。
5.1 帶寬和上升時(shí)間
探頭的帶寬或上升時(shí)間要等于或優(yōu)于示波器的帶寬。如果觀察純正弦信號，探頭帶寬等于被測信號頻率的最高值即可；如觀察非正弦信號，探頭帶寬應(yīng)能容納被測信號的基波和最重要諧波分量。為精確地測量脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間，系統(tǒng)的上升時(shí)間（示波器和探頭之和）應(yīng)該比要測量的最快的上升時(shí)間快3-5倍。
5.2 阻抗匹配
探頭的輸入阻抗要與所用示波器的輸入阻抗匹配，另外對被測電路的負(fù)載作用最少。對于低輸入阻抗的示波器，應(yīng)選擇有源探頭或50Ω輸入阻抗的探頭；對于高輸入阻抗的示波器，應(yīng)選擇×10的探頭。例如示波器的輸入阻抗是1MΩ/10pF,探頭輸入阻抗最好是10MΩ/1pF，這樣的探頭既有10倍的信號衰減，對被測信號的負(fù)載很輕，又能與示波器輸入阻抗匹配。
5.3 負(fù)載作用
減輕探頭對被測電路的負(fù)載作用。除了選擇輸入阻抗高的探頭外，還有記住探頭輸入阻抗隨頻率成反比例下降。
5.4 時(shí)間延遲的影響
每種探頭對被測信號的延遲時(shí)間存在差異，在進(jìn)行差分測量以及時(shí)間（或相位）一致性測量時(shí)，最好使用2個(gè)型號相同和電纜長度相等的探頭。
5.5 良好的接地
探頭的額定頻率特性是在同軸系統(tǒng)內(nèi)測得的結(jié)果。在實(shí)際電路應(yīng)用時(shí)，往往探頭處于非同軸匹配的系統(tǒng)內(nèi)，因此探頭的接地引線要盡量減短，把串聯(lián)電感減到最小。如發(fā)現(xiàn)高阻探頭接地不良，就要考慮使用低阻同軸探頭或者與探頭匹配的適配器、連接器和夾具。
6 示波器探頭使用注意事項(xiàng)
將待測信號正確接入示波器是測試工作的第一步，這里我們主要介紹探頭與被測電路連接時(shí)的注意事項(xiàng)。
1. 探頭與被測電路連接時(shí)，探頭的接地端務(wù)必與被測電路的地線相聯(lián)。否則在懸浮狀態(tài)下，示波器與其他設(shè)備或大地間的電位差可能導(dǎo)致觸電或損壞示波器、探頭或其他設(shè)備。
2. 測量建立時(shí)間短的脈沖信號和高頻信號時(shí)，請盡量將探頭的接地導(dǎo)線與被測點(diǎn)的位置鄰近。接地導(dǎo)線過長，可能會引起振鈴或過沖等波形失真。如圖7所示。

圖7 探頭接地方法示意圖

3. 為避免接地導(dǎo)線影響對高頻信號的測試，建議使用探頭的專用接地附件。如圖8所示為典型通用電壓探頭所帶有的標(biāo)準(zhǔn)測試附件。

圖8 帶有標(biāo)準(zhǔn)配件的典型通用電壓探頭（圖片來源于泰克《探頭ABC》）
4. 為避免測量誤差，請務(wù)必在測量前對探頭進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，探頭衰減補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)原理和方法我們在前面已經(jīng)介紹過，這里不再贅述。
5. 對于高壓測試，要使用專用高壓探頭，分清楚正負(fù)極后，確認(rèn)連接無誤才能通電開始測量。
6. 對于兩個(gè)測試點(diǎn)都不處于接地電位時(shí)，要進(jìn)行“浮動”測量，也稱差分測量，要使用專業(yè)的差分探頭。
7 總結(jié)
探頭對示波器測量至關(guān)重要，所以要求探頭對探測的電路影響必須達(dá)到最小，并希望對測量值保持足夠的信號保真度。如果探頭以任何方式改變信號或改變電路運(yùn)行方式，示波器會看到實(shí)際信號的失真結(jié)果，進(jìn)而可能導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果，或者誤導(dǎo)性的測量結(jié)果。通過以上介紹可知，探頭的選購和正確使用有許多值得注意的地方，只有與示波器和被測電路都匹配良好的探頭才是您該選擇和使用的探頭。
參考文獻(xiàn)
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