設(shè)計手記：示波器探頭原理及種類詳解

　　傳統(tǒng)上來說，市面上100MHz帶寬以下的示波器大部分只有1M歐姆輸入，因為不會用于高頻測量；100MHz～1GHz帶寬的示波器大部分有1M歐姆和50歐姆的切換選擇，同時兼顧高低頻測量；2GHz或更高帶寬的示波器由于主要用于高頻測量，所以大部分只有50歐姆輸入。不過隨著市場的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1M歐姆和50歐姆的輸入切換。

　　廣義的意義上說，測試電纜也屬于一種探頭，比如BNC或SMA電纜，而且這種探頭既便宜性能又高。但是使用測試電纜連接時需要在被測電路上也有BNC或SMA的接口，所以應(yīng)用場合有限，主要用于射頻和微波信號測試。對于數(shù)字或通用信號的測試，還是需要專門的探頭。

　　示波器的探頭按是否需要供電可以分為無源探頭和有源探頭，按測量的信號類型可以分為電壓探頭、電流探頭、光探頭等。所謂的無源探頭，是指整個探頭都由無源器件構(gòu)成，包括電阻、電容、電纜等；而有源探頭內(nèi)部一般有放大 器，放大器是需要供電的，所以叫有源探頭。

　　無源探頭根據(jù)輸入阻抗的大小又分為高阻無源探頭和低阻無源探頭兩種。

　　高阻無源探頭即我們通常所說的無源探頭，應(yīng)用最為廣泛，基本上每個使用過示波器的人都接觸過這種探頭。高阻無源探頭和示波器相連時，要求示波器端的輸入阻抗是1M歐姆。以下是一個10：1 高阻無源探頭的原理框圖。

　　為了方便測量，探頭通常都會有1米左右的長度，如果不加匹配電路，很難想象探頭能夠提供數(shù)百兆Hz的帶寬的。示波器的輸入寄生電容也會影響帶寬。為了改善探頭的高頻相應(yīng)，探頭前端會有相應(yīng)的匹配電路，最典型的就是一個Rprobe和Cprobe的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。探頭要在帶內(nèi)產(chǎn)生平坦增益的一個條件是要滿足Rprobe*Cprobe=Rscope*Cscope，具體推導(dǎo)就不做了，感興趣的可以自己推一下。我們前面介紹過，Cscope是示波器的寄生電容，所以其只能控制在一定范圍內(nèi)，但不能精確控制，也就是說不同示波器或示波器的不同通道間Cscope的值會不太一樣。為了補償不同通道Cscope的變化，在探頭接示波器的一端處一般至少會有一個可調(diào)電容Ccomp。當(dāng)探頭接在不同通道上時可以通過調(diào)整Ccomp來補償Cscope的變化。幾乎所有示波器都提供一個低頻方波的輸出，可以通過用探頭測量這個方波的形狀來做調(diào)整。

　　Rprobe在改善頻響的同時會和示波器輸入電阻產(chǎn)生一個分壓，所謂10：1的分壓就是指示波器實際測量到的電壓是探頭前端處電壓的1/10，也就是信號經(jīng)過探頭會有一個10倍衰減。比較簡單的探頭需要手工設(shè)置示波器的探頭衰減倍數(shù)來得到正確的顯示，更多的探頭在和示波器連接端有一個自動檢測的針腳，當(dāng)探頭插上時示波器可以通過這個pin讀出探頭的衰減比，并自動調(diào)整顯示的比例。

　　高阻無源探頭中還有2個特殊的種類。一類是高壓探頭，其衰減比可達100:1或1000:1，所以測量電壓范圍很大；還有一類是1:1的探頭，即信號沒有衰減就進入示波器，由于不象10：1的探頭那樣需要示波器再放大顯示，所以示波器本身的噪聲沒有放大，測量的噪聲會小很多，在小信號和電源紋波的測量場合應(yīng)用很多。

　　高阻無源探頭的優(yōu)點是便宜，因為成本不高，同時輸入阻抗高，測量范圍大，連接方便，所以廣泛應(yīng)用于通用測試場合。但是隨著測試頻率的提高，各種二階寄生參數(shù)很難控制，僅僅靠簡單的匹配電路已經(jīng)不能把帶寬再提高了，所以高阻無源探頭的帶寬一般都在600MHz以下。

　　另一種無源探頭是低阻無源探頭，這是最不常用的一種探頭，但有其自身的特點。以下是這種探頭的原理框圖。

　　低阻無源探頭要求示波器的輸入阻抗為50 歐姆，前端等效串了一個分壓電阻。根據(jù)串阻阻值的不同，可以實現(xiàn)不同的分壓比，比如串個450 歐姆的電阻就是10：1 的分壓。由于采用50 歐姆的傳輸電纜，示波器端也是50 歐姆的匹配，所以整個探頭的帶寬比較高。如Agilent 的54006A 探頭帶寬可以達6GHz。