示波器探头基础的知识.docx

作者：聂文伟[e-mail]，“ScopeArt先生”团队成员
示波器探头是示波器使用过程中不可或缺的一部分，它主要是作为承载信号传输的链路，将待测信号完整可靠的传输至示波器，以进一步进行测量分析。很多工程师很看重示波器的选择，却容易忽略对示波器探头的甄别。试想如果信号经过前端探头就已经失真，那再完美的示波器所测得的数据也会有误。所以正确了解探头性能，有效规避探头使用误区对我们日常使用示波器来说至关重要！
在绝大多数示波器测量环境下，我们都需要使用探头。示波器探头有很多种，内部原理构造迥异，使用方法也各不相同。本文主要给大家介绍示波器探头的种类及工作原理，探头使用过程注意事项以及如何选择示波器探头。
1示波器探头种类及工作原理
对于DC直流或一般低频信号而言，示波器探头只是一个由特定阻抗R所形成的一段传输线缆。而随着待测信号频率的增加和不规则性，示波器探头在测量过程中会引入寄生电容C以及电感L，寄生电容会衰减信号的高频成分，使信号的上升沿变缓。寄生电感则会与寄生电容一起构成谐振回路，使信号产生谐振现象。所有这些都会对我们测量信号的准确性带来挑战。

图1探头电气特性示意图
示波器探头按供电方式分可分为无源探头和有源探头。无源探头又分为无源低压、无源高压及低阻传输线探头等，有源探头又分为有源单端、有源差分、高压差分探头等。此外，在一些特殊应用下，还会使用到电流探头（AC、DC）、近场探头、逻辑探头以及各类传感器（光、温度、振动）探头等。
无源探头是最常用的一类电压探头，也是我们在购买示波器时标配赠送的探头。如图2所示。
图2无源探头示意图
无源探头一般使用通用型BNC接口与示波器相连，所以大多数厂家的无源探头可以在不同品牌的示波器上通用（某些厂家特殊接口标准的探头除外），但由于示波器一般无法自动识别其他品牌的探头类型，所以此时需要手动在示波器上设置探头衰减比，以保证示波器在测量时正确补偿探头带来的信号衰减。
图3所示为日常最为常见的一类无源探头原理示意图，它由输入阻抗Rprobe、寄生电容Cprobe、传输导线（一般1至1.5米左右）、可调补偿电容Ccomp组成。此类无源探头一般输入阻抗为10MΩ，衰减比因子为10：1。

图3无源探头原理图
在使用此类探头时，示波器的输入阻抗会自动设置为高阻1MΩ。此时示波器BNC通道输入点的电压Vscope与探头前端所探测的电压值Vprobe的关系满足以下对应关系：
Vprobe/Vscope=(9MΩ+1MΩ)/1MΩ=10:1
由关系式可知，示波器得到的电压是探头探测到电压的十分之一，这也是无源探头10：1衰减因子的由来。无源探头具备高阻抗10MΩ，因此它对待测电路的负载效应（将在第二部分详述）很小，能覆盖一般低频频段（500MHz以内），耐压能力强（300V-400Vrms），价格便宜，通用性好，所以得到广泛使用。
当无源探头的衰减因子为100：1、1000：1甚至更高时，此类探头一般归类为无源高压探头。由于其衰减比很大，因此能测量高压、超高压电信号。
图4R&SRT-ZH10高压探头

还有一类无源探头，其衰减比为1：1，信号未经衰减直接经过探头传输至示波器，其耐压能力不及其它无源探头，但它具备测试小信号的优势。由于不像10：1衰减比探头那样信号需要示波器再放大10倍显示，所以示波器内部噪声未放大，测量噪声更小，此类更适用于测试小信号或电源纹波噪声。

图5R&SHZ-1541:1/10:1可调衰减比无源探头
无源传输线探头是另一类特殊的无源探头，其特点是输入阻抗相对较低，一般为几百欧姆，支持带宽更高，可达数GHz以上。图6为输入阻抗为500Ω的10：1无源传输线探头原理图：

图6传输线探头原理图
传输线探头具备低寄生电容，低输入阻抗的特性，一般用来测量高频信号。在使用传输线探头时应该注意将示波器输入阻抗设置为50Ω，以与传输线50Ω阻抗相匹配，传输线探头的典型应用为测量50Ω传输线上的电信号，通过SMA-N等不同的转换接头，传输线探头也可用在频谱分析仪等其它测试设备上。
图7传输线探头的典型应用
需要注意的是，由于传输线探头的低阻抗，它的负载效应会比较明显。因此，此类探头仅适用于与低输出阻抗（几十至100欧姆）的电路测试。对于更高输出阻抗的电路，我们可以选择使用高阻有源探头的方案，将在后续详述。

图8R&SRT-ZZ808.0GHz无源传输线探头介绍完无源探头，我们接下来看看有源探头。顾名思义，有源探头区别于无源探头最大的特点是“有源”，即它需要提供电源才能工作。如今大多数有源探头都配备有特殊接口，通过与示波器连接从示波器获得电源，而不需要额外提供外置电源（某些型号除外）。下图所示为有源单端探头原理图：

图9有源单端探头