設計手記：示波器探頭原理及種類詳解

　　大部分人會比較關注示波器本身的使用，卻忽略了探頭的選擇。實際上探頭是介于被測信號和示波器之間的中間環(huán)節(jié)，如果信號在探頭處就已經(jīng)失真了，那么示波器做的再好也沒有用。實際上探頭的設計要比示波器難得多，因為示波器內(nèi)部可以做很好的屏蔽，也不需要頻繁拆卸，而探頭除了要滿足探測的方便性的要求以外，還要保證至少和示波器一樣的帶寬，難度要大得多。因此最早高帶寬的實時示波器剛出現(xiàn)時是沒有相應的探頭的，又過了一段時間探頭才出來。

　　要選擇合適的探頭，首要的一點是要了解探頭對測試的影響，這其中包括2部分的含義：1/探頭對被測電路的影響；2/探頭造成的信號失真。理想的探頭應該是對被測電路沒有任何影響，同時對信號沒有任何失真的。遺憾的是，沒有真正的探頭能同時滿足這兩個條件，通常都需要在這兩個參數(shù)間做一些折衷。

　　為了考量探頭對測量的影響，我們通?？梢园烟筋^模型簡單等效為一個R、L、C的模型，把這個模型和我們的被測電路放在一起分析。

　　首先，探頭本身有輸入電阻。和萬用表測電壓的原理一樣，為了盡可能減少對被測電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe要盡可能大。但由于Rprobe不可能做到無窮大，所以就會和被測電路產(chǎn)生分壓，實際測到的電壓可能不是探頭點上之前的真實電壓，這在一些電源或放大器電路的測試中會經(jīng)常遇到。為了避免探頭電阻負載造成的影響，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探頭的輸入阻抗在幾十k歐姆到幾十兆歐姆間。

　　其次，探頭本身有輸入電容。這個電容不是刻意做進去的，而是探頭的寄生電容。這個寄生電容也是影響探頭帶寬的最重要因素，因為這個電容會衰減高頻成分，把信號的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下Cprobe應該為0，但是實際做不到。一般無源探頭的輸入電容在10pf至幾百pf間，帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pf至幾pf間。

　　再其次，探頭輸入端還會受到電感的影響。探頭的輸入電阻和電容都比較好理解，探頭輸入端的電感卻經(jīng)常被忽視，尤其是在高頻測量的時候。電感來自于哪里呢？我們知道有導線就會有電感，探頭和被測電路間一定會有一段導線連接，同時信號的回流還要經(jīng)過探頭的地線。通常1mm探頭的地線會有大約1nH的電感，信號和地線越長，電感值越大。探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，當電感值太大時，在輸入信號的激勵下就有可能產(chǎn)生高頻諧振，造成信號的失真。所以高頻測試時需要嚴格控制信號和地線的長度，否則很容易產(chǎn)生振鈴。

　　在了解探頭的結(jié)構(gòu)之前，需要先了解一下示波器輸入接口的結(jié)構(gòu)，因為這里是連接探頭的地方，示波器的輸入接口電路和探頭共同組成了我們的探測系統(tǒng)。

　　大部分的示波器輸入接口采用的是BNC或兼容BNC的形式。示波器的輸入端有1M歐姆或50歐姆的匹配電阻。示波器的探頭種類很多，但是示波器的的匹配永遠只有1M歐姆或50歐姆兩種選擇，不同種類的探頭需要不同的匹配電阻形式。

　　從電壓測量的角度來說，為了對被測電路影響小，示波器可以采用1M歐姆的高輸入阻抗，但是由于高阻抗電路的帶寬很容易受到寄生電容的影響。所以1M歐姆的輸入阻抗廣泛應用與500M帶寬以下的測量。對于更高頻率的測量，通常采用50歐姆的傳輸線，所以示波器的50歐姆匹配主要用于高頻測量。