詳解示波器探頭

示波器探頭對測量結果的準確性以及正確性至關重要，它是連接被測電路與示波器輸入端的電子部件。最簡單的探頭是連接被測電路與電子示波器輸入端的一根導線，復雜的探頭由阻容元件和有源器件組成。簡單的探頭沒有采取屏蔽措施很容易受到外界電磁場的干擾，而且本身等效電容較大，造成被測電路的負載增加，使被測信號失真。
1.1 示波器探頭的定義
本質上，示波器探頭是在測試點或信號源和示波器之間建立了一條物理和電子連接；實際上，示波器探頭是把信號源連接到示波器輸入上的某類設備或網(wǎng)絡，它必須在信號源和示波器輸入之間提供足夠方便優(yōu)質的連接。連接的充分程度有三個關鍵的問題：物理連接、對電路操作的影響和信號傳輸。
1.2 示波器探頭的發(fā)展過程
在過去50年中，各種示波器探頭接口設計一直在不斷演進，以滿足提高的儀器帶寬速度和測量性能要求。在最早的年代，通常使用香蕉式插頭和UHF型連接器。在20世紀60年代，普通BNC型連接器成為常用的探頭接口類型，因為BNC體積更小、頻率更高。目前，BNC探頭接口仍用于測試和測量儀器設計，當前更高質量的BNC型連接器提供了接近4GHz的最大可用帶寬功能。
之后，某些廠家提出了普通BNC型探頭接口設計變通方案，在使用BNC連接器的同時，額外提供了一個模擬編碼的標度系數(shù)檢測針腳，作為機械和電子接口設計的一部分，使得兼容的示波器能夠自動檢測和改變示波器顯示的垂直衰減范圍。
1.3 示波器探頭的結構形式
大多數(shù)探頭由探頭頭部、探頭電纜、補償設備或其他信號調節(jié)網(wǎng)絡和探頭連接頭組成。如圖1所示。

圖1 探頭的結構形式
為進行示波器測量，必須先能夠在物理上把探頭連接到測試點。為實現(xiàn)這一點，大多數(shù)探頭至少有一兩米長的相關電纜，如圖1所示。但是探頭電纜降低了探頭帶寬：電纜越長，下降的幅度越大。除了一兩米長的電纜外，大多數(shù)探頭還有一個探頭頭部或帶探針的把手，探頭頭部可以固定探頭，用戶則可以移動探針，與測試點接觸。通常這一探針采用彈簧支撐的掛鉤形式，可以把探頭實際連接到測試點上。
為了獲得可用的測量結果，探針上的信號必須通過探頭頭部和電纜，以足夠的保真度傳送到示波器的輸入。
2 示波器探頭的主要分類和各類探頭的特點
市場上提供了數(shù)百種、甚至上千種不同的示波器探頭。示波器探頭的一個技術指標是頻率特性，按頻率劃分探頭的種類有其方便之處，但是示波器探頭的頻率覆蓋范圍有限很難按無線電頻率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段來劃分。示波器探頭是所有探頭中的一種，最常使用的探頭是電壓電流探頭，而探頭通常是按測量對象進行分類的，具體分類如圖2所示：

2.1 無源電壓探頭
2.1.1 無源探頭
無源探頭由導線和連接器制成，在需要補償或衰減時，還包括電阻器和電容器。探頭中沒有有源器件（晶體管或放大器），因此不需為探頭供電。無源探頭一般是最堅固、最經濟的探頭，它們不僅使用簡便，而且使用廣泛。
2.1.2 高阻無源電壓探頭
從實際需要出發(fā)，使用最多的是電壓探頭，其中高阻無源電壓探頭占最大部分。無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)1×，10×和100×。在這些無源探頭中，10×無源電壓探頭是最常用的探頭。對信號幅度是1V峰峰值或更低的應用，1×探頭可能要比較適合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信號混合（幾十毫伏到幾十伏）的應用中，可切換1×/10×探頭要方便得多。但是，可切換1×/10×探頭在本質上是一個產品中的兩個不同探頭，不僅其衰減系數(shù)不同，而且其帶寬、上升時間和阻抗（R和C）特點也不同。因此，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提供標準10×探頭實現(xiàn)的最優(yōu)性能。
2.1.3 低阻無源電壓探頭
大多數(shù)高阻無源探頭的帶寬范圍在小于100MHz到500MHz或更高的帶寬之間。而低阻無源電壓探頭（又稱為50歐姆探頭、Zo探頭、分壓器探頭）的頻率特性很好，采用匹配同軸電纜的探頭，帶寬可達10GHz和100皮秒或更快的上升時間。這種探頭是為用于50歐姆環(huán)境中設計的，這些環(huán)境一般是高速設備檢定、微波通信和時域反射計（TDR）。
2.1.4 無源高壓探頭
“高壓”是相對的概念。從探頭角度看，我們可以把高壓定義為超過典型的通用10×無源探頭可以安全處理的電壓的任何電壓。高壓探頭要求具有良好的絕緣強度，保證使用者和示波器的安全。
2.2 有源電壓探頭

2.2.1 有源探頭
有源探頭包含或依賴有源器件，如晶體管。最常見的情況下，有源設備是一種場效應晶體管（FET），它提供了非常低的輸入電容，低電容會在更寬的頻段上導致高輸入阻抗。可以從下面的Xc公式中看出：

2.2.2 有源FET探頭
有源FET探頭的規(guī)定帶寬一般在500MHz ～4GHz之間。除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻抗未知的測試點上進行測量，而產生負荷效應的風險要低得多。另外，由于低電容降低了地線影響，可以使用更長的地線。
有源FET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動態(tài)范圍一般在±0.6V到±10V之間。
2.2.3 有源差分探頭
差分信號是互相參考，而不是參考接地的信號。差分探頭可測量浮置器件的信號，實質上它是兩個對稱的電壓探頭組成，分別對地段有良好絕緣和較高阻抗。差分探頭可以在更寬的頻率范圍內提供很高的共模抑制比（CMRR）。
2.3 電流探頭
從原理上來看，用電壓探頭測得電壓值，除以被測阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實際上這種測量引入的誤差很大，所以一般不采用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號電流磁通經互感變壓器變換成電壓，再由探頭內的放大器放大后送到示波器。
2.3.1 交流電流探頭
交流電流在互感器中，隨著電流方向的變化，產生電場的變化，并感應出電壓。交流電流探頭屬于無源設備，無需外接供電。
2.3.2 直流電流探頭
傳統(tǒng)電流探頭只能測量交流交流信號，因為穩(wěn)定的直流電流不能在互感器中感應電流。然而，利用霍爾效應，電流偏流的半導體設備將產生與直流電場對應的電壓。所以，直流電流探頭是一種有源設備，需要外接供電。
所以電流探頭基本上分成兩類：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭通常是無源探頭，AC/DC電流探頭通常是有源探頭。
2.4 邏輯探頭
使用示波器觀察分析數(shù)字波形的模擬特點時，需要用到邏輯探頭，為隔離確切地成因，數(shù)字設計人員通常需要查看在具體邏輯條件下發(fā)生的特定數(shù)據(jù)脈沖，這要求邏輯觸發(fā)功能。如圖3為邏輯探頭示意圖，可以在大多數(shù)示波器中增加這種邏輯出發(fā)功能。