詳解示波器探頭

示波器探頭對(duì)測(cè)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(cè)電路與示波器輸入端的電子部件。最簡(jiǎn)單的探頭是連接被測(cè)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(jiǎn)單的探頭沒(méi)有采取屏蔽措施很容易受到外界電磁場(chǎng)的干擾，而且本身等效電容較大，造成被測(cè)電路的負(fù)載增加，使被測(cè)信號(hào)失真。
1.1 示波器探頭的定義
本質(zhì)上，示波器探頭是在測(cè)試點(diǎn)或信號(hào)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(hào)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(hào)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(wèn)題：物理連接、對(duì)電路操作的影響和信號(hào)傳輸。
1.2 示波器探頭的發(fā)展過(guò)程
在過(guò)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(cè)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(cè)試和測(cè)量?jī)x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(cè)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(dòng)檢測(cè)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(hào)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(cè)量，必須先能夠在物理上把探頭連接到測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)，下降的幅度越大。除了一兩米長(zhǎng)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(dòng)探針，與測(cè)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(cè)試點(diǎn)上。
為了獲得可用的測(cè)量結(jié)果，探針上的信號(hào)必須通過(guò)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(chǎng)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(wú)線電頻率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段來(lái)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(cè)量對(duì)象進(jìn)行分類的，具體分類如圖2所示：

2.1 無(wú)源電壓探頭
2.1.1 無(wú)源探頭
無(wú)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(méi)有有源器件（晶體管或放大器），因此不需為探頭供電。無(wú)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(jiǎn)便，而且使用廣泛。
2.1.2 高阻無(wú)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(wú)源電壓探頭占最大部分。無(wú)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(wú)源探頭中，10×無(wú)源電壓探頭是最常用的探頭。對(duì)信號(hào)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(hào)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(wú)源電壓探頭
大多數(shù)高阻無(wú)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(wú)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(wú)源高壓探頭
“高壓”是相對(duì)的概念。從探頭角度看，我們可以把高壓定義為超過(guò)典型的通用10×無(wú)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(jiàn)的情況下，有源設(shè)備是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），它提供了非常低的輸入電容，低電容會(huì)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(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)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(zhǎng)的地線。
有源FET探頭沒(méi)有無(wú)源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動(dòng)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(hào)是互相參考，而不是參考接地的信號(hào)。差分探頭可測(cè)量浮置器件的信號(hào)，實(shí)質(zhì)上它是兩個(gè)對(duì)稱的電壓探頭組成，分別對(duì)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(lái)看，用電壓探頭測(cè)得電壓值，除以被測(cè)阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實(shí)際上這種測(cè)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(cè)得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號(hào)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(chǎng)的變化，并感應(yīng)出電壓。交流電流探頭屬于無(wú)源設(shè)備，無(wú)需外接供電。
2.3.2 直流電流探頭
傳統(tǒng)電流探頭只能測(cè)量交流交流信號(hào)，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(chǎng)對(duì)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(wú)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。