示波器探头

1 概述
示波器探头对测量结果的准确性以及正确性至关重要，它是连接被测电路与示波器输入端的电子部件。最简单的探头是连接被测电路与电子示波器输入端的一根导线，复杂的探头由阻容元件和有源器件组成。简单的探头没有采取屏蔽措施很容易受到外界电磁场的干扰，而且本身等效电容较大，造成被测电路的负载增加，使被测信号失真。
1.1 示波器探头的定义
本质上，示波器探头是在测试点或信号源和示波器之间建立了一条物理和电子连接；实际上，示波器探头是把信号源连接到示波器输入上的某类设备或网络，它必须在信号源和示波器输入之间提供足够方便优质的连接。连接的充分程度有三个关键的问题：物理连接、对电路操作的影响和信号传输。
1.2 示波器探头的发展过程
在过去50年中，各种示波器探头接口设计一直在不断演进，以满足提高的仪器带宽速度和测量性能要求。在最早的年代，通常使用香蕉式插头和UHF型连接器。在20世纪60年代，普通BNC型连接器成为常用的探头接口类型，因为BNC体积更小、频率更高。目前，BNC探头接口仍用于测试和测量仪器设计，当前更高质量的BNC型连接器提供了接近4GHz的最大可用带宽功能。
之后，某些厂家提出了普通BNC型探头接口设计变通方案，在使用BNC连接器的同时，额外提供了一个模拟编码的标度系数检测针脚，作为机械和电子接口设计的一部分，使得兼容的示波器能够自动检测和改变示波器显示的垂直衰减范围。
1.3 示波器探头的结构形式
大多数探头由探头头部、探头电缆、补偿设备或其他信号调节网络和探头连接头组成。如图1所示。

图1 探头的结构形式
为进行示波器测量，必须先能够在物理上把探头连接到测试点。为实现这一点，大多数探头至少有一两米长的相关电缆，如图1所示。但是探头电缆降低了探头带宽：电缆越长，下降的幅度越大。除了一两米长的电缆外，大多数探头还有一个探头头部或带探针的把手，探头头部可以固定探头，用户则可以移动探针，与测试点接触。通常这一探针采用弹簧支撑的挂钩形式，可以把探头实际连接到测试点上。
为了获得可用的测量结果，探针上的信号必须通过探头头部和电缆，以足够的保真度传送到示波器的输入。
2 示波器探头的主要分类和各类探头的特点
市场上提供了数百种、甚至上千种不同的示波器探头。示波器探头的一个技术指标是频率特性，按频率划分探头的种类有其方便之处，但是示波器探头的频率覆盖范围有限很难按无线电频率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段来划分。示波器探头是所有探头中的一种，最常使用的探头是电压电流探头，而探头通常是按测量对象进行分类的，具体分类如图2所示：

2.1 无源电压探头
2.1.1 无源探头
无源探头由导线和连接器制成，在需要补偿或衰减时，还包括电阻器和电容器。探头中没有有源器件（晶体管或放大器），因此不需为探头供电。无源探头一般是最坚固、最经济的探头，它们不仅使用简便，而且使用广泛。
2.1.2 高阻无源电压探头
从实际需要出发，使用最多的是电压探头，其中高阻无源电压探头占最大部分。无源电压探头为不同电压范围提供了各种衰减系数1×，10×和100×。在这些无源探头中，10×无源电压探头是最常用的探头。对信号幅度是1V峰峰值或更低的应用，1×探头可能要比较适合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信号混合（几十毫伏到几十伏）的应用中，可切换1×/10×探头要方便得多。但是，可切换1×/10×探头在本质上是一个产品中的两个不同探头，不仅其衰减系数不同，而且其带宽、上升时间和阻抗（R和C）特点也不同。因此，这些探头不能与示波器的输入完全匹配，不能提供标准10×探头实现的最优性能。
2.1.3 低阻无源电压探头
大多数高阻无源探头的带宽范围在小于100MHz到500MHz或更高的带宽之间。而低阻无源电压探头（又称为50欧姆探头、Zo探头、分压器探头）的频率特性很好，采用匹配同轴电缆的探头，带宽可达10GHz和100皮秒或更快的上升时间。这种探头是为用于50欧姆环境中设计的，这些环境一般是高速设备检定、微波通信和时域反射计（TDR）。
2.1.4 无源高压探头
“高压”是相对的概念。从探头角度看，我们可以把高压定义为超过典型的通用10×无源探头可以安全处理的电压的任何电压。高压探头要求具有良好的绝缘强度，保证使用者和示波器的安全。
2.2 有源电压探头

2.2.1 有源探头
有源探头包含或依赖有源器件，如晶体管。最常见的情况下，有源设备是一种场效应晶体管（FET），它提供了非常低的输入电容，低电容会在更宽的频段上导致高输入阻抗。可以从下面的Xc公式中看出：

2.2.2 有源FET探头
有源FET探头的规定带宽一般在500MHz ～4GHz之间。除带宽更高外，有源FET探头的高输入阻抗允许在阻抗未知的测试点上进行测量，而产生负荷效应的风险要低得多。另外，由于低电容降低了地线影响，可以使用更长的地线。
有源FET探头没有无源探头的电压范围。有源探头的线性动态范围一般在±0.6V到±10V之间。
2.2.3 有源差分探头
差分信号是互相参考，而不是参考接地的信号。差分探头可测量浮置器件的信号，实质上它是两个对称的电压探头组成，分别对地段有良好绝缘和较高阻抗。差分探头可以在更宽的频率范围内提供很高的共模抑制比（CMRR）。
2.3 电流探头
从原理上来看，用电压探头测得电压值，除以被测阻抗值，很容易就可以获得电流值。然而，实际上这种测量引入的误差很大，所以一般不采用电压换算电流的方法。电流探头可以精确测得电流波形，方法是采用电流互感器输入，信号电流磁通经互感变压器变换成电压，再由探头内的放大器放大后送到示波器。
2.3.1 交流电流探头
交流电流在互感器中，随着电流方向的变化，产生电场的变化，并感应出电压。交流电流探头属于无源设备，无需外接供电。
2.3.2 直流电流探头
传统电流探头只能测量交流交流信号，因为稳定的直流电流不能在互感器中感应电流。然而，利用霍尔效应，电流偏流的半导体设备将产生与直流电场对应的电压。所以，直流电流探头是一种有源设备，需要外接供电。