示波器探头的各种功能和工作原理

任何使用示波器的人都会接触到探头。通常，我们所说的示波器用于测量电压信号(也有光或电流，它们首先通过相应的传感器转换成电压测量)。探头的主要功能是将测量的电压信号从测量点引入示波器进行测量

大多数人会更加关注示波器本身的使用，但忽略了探头的选择。事实上，探头介于被测信号和示波器之间的中间环节。如果信号在探头处失真，那么无论示波器做得多好，它都是无用的。事实上，探头的设计比示波器要困难得多，因为示波器内部可以很好地屏蔽，不需要经常拆卸。除了满足检测方便的要求外，探头还应确保至少与示波器相同的带宽要困难得多。因此，当**个高带宽的实时示波器**次出现时，没有相应的探头，一段时间。

要选择合适的探头，首先要了解探头对测试的影响，其中包括两部分的含义：1/探头对被测电路的影响；2/探头引起的信号失真。理想的探头应该对被测电路和信号没有失真影响。不幸的是，没有真正的探头能同时满足这两个条件，通常需要在这两个参数之间做一些折衷。

为了考虑探头对测量的影响，我们通常可以简单地将探头模型等同于R、L、C模型，并将该模型与测量电路进行分析。

首先，探头本身有输入电阻。与万用表测量电压的原理一样，为了尽可能减少对被测电路的影响，探头本身的输入电阻RProbe应尽可能大。然而，由于RProbe不可能无限大，它将与被测电路产生分压。实际测量的电压可能不是探头点上之前的真实电压，这在某些电源或放大器电路的测试中经常遇到。为了避免探头电阻负载的影响，RProbe通常需要大于Rsource和Rload的10倍以上。大多数探头的输入阻抗在几十k欧姆到几十兆欧姆之间。

其次，探头本身有输入电容器。这个电容器不是故意做的，而是探头的寄生电容器。这种寄生电容器也是影响探头带宽的最重要因素，因为它会衰减高频成分，减缓信号的上升。通常高带宽的探头寄生电容相对较小。理想情况下，Cprobe应该是0，但实际上不可能。无源探头的输入电容一般在10pf到几百pf之间，带宽较高的有源探头的输入电容一般在0.2pf到几pf之间。

其次，探头输入端也会受到电感的影响。探头的输入电阻和电容更容易理解，但探头输入端的电感往往被忽略，尤其是在高频测量中。电感从何而来？我们知道，如果有电线，就会有电感。探头和被测电路之间必须有一段电线连接。同时，信号的回流必须通过探头的地线。通常，1mm探头的地线会有1nH左右的电感。信号和地线越长，电感值越大。探头的寄生电感和寄生电容形成谐振电路。当电感值过大时，在输入信号的鼓励下可能会产生高频谐振，导致信号失真。因此，在高频测试中，需要严格控制信号和地线的长度，否则很容易产生振铃。

在了解探头的结构之前，我们需要了解示波器输入接口的结构，因为它是连接探头的地方。示波器的输入接口电路和探头共同构成了我们的探测系统。

大多数示波器的输入接口是BNC或与BNC兼容的。示波器的输入端有1M欧姆或50欧姆的匹配电阻。示波器的探头有很多种，但总是只有1M欧姆或50欧姆，不同类型的探头需要不同的匹配电阻。

从电压测量的角度来看，示波器可以使用1M欧姆的高输入阻抗，但由于高阻抗电路的带宽容易受到寄生电容的影响。因此，1M欧姆的输入阻抗被广泛应用于500M带宽以下的测量。50欧姆的传输线通常用于更高频率的测量，因此示波器的50欧姆匹配主要用于高频测量。

传统上，市场上100MHz带宽以下的示波器大多只有1M欧姆输入，因为它们不用于高频测量；100MHz~1GHz带宽的示波器大多有1M欧姆和50欧姆的切换选择，同时考虑高频和低频测量；2GHz或更高带宽的示波器大多只有50欧姆输入，因为它们主要用于高频测量。然而，随着市场需求，一些2GHz以上的示波器也提供1M欧姆和50欧姆的输入切换。

广义上说，测试电缆也是一种探头，如BNC或SMA电缆，它既便宜又高。然而，在使用测试电缆连接时，BNC或SMA的接口也需要在测试电路上连接，因此应用场合有限，主要用于射频和微波信号测试。对于数字或通用信号的测试，仍需要一个特殊的探头。

根据是否需要供电，示波器探头可分为无源探头和有源探头，根据测量信号类型可分为电压探头、电流探头、光探头等。所谓的无源探头是指由无源设备组成的整个探头，包括电阻、电容器、电缆等。；有源探头一般有放大器，需要供电，所以称为有源探头。

根据输入阻抗的大小，无源探头分为高阻无源探头和低阻无源探头。

高阻无源探头是我们通常所说的无源探头，应用最广泛。基本上，每个使用过示波器的人都接触过这种探头。当高阻无源探头与示波器连接时，示波器端的输入阻抗要求为1M欧姆。以下是10:1高阻无源探头的原理框图。

为了方便测量，探头通常长约1米。如果没有匹配电路，很难想象探头能提供数百兆Hz的带宽。示波器的输入寄生电容器也会影响带宽。为了改善探头的高频对应性，探头前端将有相应的匹配电路，最典型的是RProbe和CProbe的并联结构。探头在带内产生平坦增益的条件之一是满足RProbe*CProbe=RSCope*CSCope。如果你感兴趣，你可以自己推。正如我们前面介绍的，CSCope是示波器的寄生电容，所以它只能控制在一定范围内，但不能准确控制，也就是说，CSCope的值在不同的示波器或示波器的不同通道之间会有所不同。为了补偿不同通道CSCope的变化，探头连接器的一端通常至少有一个可调电容Comp。当探头连接到不同的通道时，可以通过调整Ccomp来补偿Cscope的变化。几乎所有的示波器都提供低频方波输出，可以通过测量探头来调整。

RProbe在改善频率响应的同时，会与示波器输入电阻产生分压。所谓10:1分压，是指示波器实际测量的电压是探头前端电压的1/10，即信号通过探头会有10倍的衰减。相对简单的探头需要手动设置示波器的探头衰减倍数来正确显示。更多的探头在与示波器的连接端有一个自动检测的针脚。当插入探头时，示波器可以读取探头的衰减比，并自动调整显示比。

高阻无源探头有两种特殊类型。一种是高压探头，其衰减比可达100:1或1000:1，因此测量电压范围很大；另一种是1:1探头，即信号进入示波器而不衰减。与10:1探头不同，示波器需要放大显示器，因此示波器本身的噪声不会放大，测量噪声会小得多，广泛应用于小信号和电源纹波的测量场合。

高阻无源探头具有成本低、输入阻抗高、测量范围大、连接方便等优点，广泛应用于一般测试场合。然而，随着测试频率的提高，各种二级寄生参数难以控制，单靠简单的匹配电路无法再次提高带宽，因此高阻无源探头的带宽一般低于600mHz。

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审核编辑：汤梓红