示波器探頭

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路，它必須在信號源和示波器輸入之間提供足夠方便優質的連接。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 示波器探頭的發展過程

在過去50年中，各種示波器探頭介面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介面類型，因為BNC體積更小、頻率更高。BNC探頭介面仍用於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。

之後，某些廠家提出了普通BNC型探頭介面設計變通方案，在使用BNC連接器的同時，額外提供了一個模擬編碼的標度係數檢測針腳，作為機械和電子介面設計的一部分，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範圍。

1.3 示波器探頭的結構形式

大多數探頭由探頭頭部、探頭電纜、補償設備或其他信號調節網路和探頭連接頭組成。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。為實現這一點，大多數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。通常這一探針採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。

市場上提供了數百種、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範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製成，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，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範圍提供了各種衰減係數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，不僅其衰減係數不同，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×探頭實現的最優性能。

2.1.3 低阻無源電壓探頭

大多數高阻無源探頭的帶寬範圍在小於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，採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。這種探頭是為用於50歐姆環境中設計的，這些環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，由於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範圍。有源探頭的線性動態範圍一般在±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範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，所以一般不採用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測得電流波形，方法是採用電流互感器輸入，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後送到示波器。

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，並感應出電壓。交流電流探頭屬於無源設備，無需外接供電。

2.3.2 直流電流探頭

傳統電流探頭只能測量交流交流信號，因為穩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，數字設計人員通常需要查看在具體邏輯條件下發生的特定數據脈衝，這要求邏輯觸發功能。如圖3為邏輯探頭示意圖，可以在大多數示波器中增加這種邏輯出發功能。

圖3 邏輯探頭示意圖

2.5 其他探頭

由於示波器的應用範圍十分廣泛，所以除了上述的探頭類型外還有各種專用探頭，這些專業探頭根據其前端感測器的不同而有不同的功用，下面我們介紹其中的兩種，僅供讀者了解。

光電探頭在原理上是普通電壓探頭與光電轉換器件的組合，可直接測量光器件和光纖傳輸的光信號。

溫度探頭是普通電壓探頭與溫度感測器的組合，可直接測量物體的溫度。溫度探頭屬感測器探頭的一種，各種感測器探頭與示波器配合可測量多種物理量。

3.1 負載效應

所謂負載效應就是在被測電路上接入示波器時，有時示波器的輸入電阻會對被測電路產生影響，致使被測電路的信號發生變化。若負載效應的影響很大，就不能準確地進行波形測量。若要減小負載效應，就需要將示波器一端的輸入電阻增大。輸入電阻越大，輸入電容越小，負載效應就越小。

在示波器測量中，另外一種負載效應指的是探頭對被測電路的負載效應，為保證測量的準確性，需要減輕探頭對被測電路的負載效應，不至影響到被測信號，因此應選擇高輸入阻抗的探頭。探頭的輸入阻抗可以等效為電阻與電容的並聯。低頻時（1MHz以下）探頭的負載主要是阻抗作用；高頻時（10MHz以上）探頭的負載主要是容抗作用。為了減輕探頭對被測電路的負載作用，應選擇高阻抗、低容抗的探頭，例如帶寬100MHz用的無源探頭，它的輸入電阻是1~10Ω，輸入電容是1~10pF。有源探頭的負載作用優於無源探頭，頻率特性更好。

3.2 阻抗匹配

阻抗是電壓和電流之比，在理想情況下，對被測儀器進行測試時不應影響它的正常工作，測量值也應和未接測試儀器時相同。當連接儀器進行測量時，要考慮阻抗對測量準確性的影響，為了保證儀器之間能夠傳送最大的功率，阻抗應該匹配。如果阻抗為純電阻，應使輸入阻抗與輸出阻抗的值相等。如果阻抗包含電抗成分應使負載的輸入阻抗與源的輸出阻抗共軛匹配，這時能夠傳送最大功率。

阻抗匹配的阻抗值通常和使用的傳輸線的特性阻抗值一致。對於射頻系統，一般採用50Ω阻抗。對於高阻抗儀器，由於等效並聯電容的存在，隨著頻率升高，並聯組合阻抗逐漸變小，將對被測電路形式負載。如1MΩ輸入阻抗，在頻率達到100MHz時，等效阻抗只有100Ω左右。因此，高帶寬的示波器一般都採用50Ω輸入阻抗，這樣可以保證示波器與源端的匹配。但是使用50Ω輸入阻抗時，必須考慮到50Ω輸入阻抗的負載效應比較明顯，此時最好使用低電容的有源探頭。

3.3 電容負荷

隨著信號頻率或轉換速率提高，阻抗的電容成分變成主要因素。結果，電容負荷成為主要問題，特別是電容負荷會影響快速轉換波形的上升時間和下降時間及波形中高頻成分幅度。

4.1 帶寬和上升時間

探頭的帶寬是指導致探頭響應輸出幅度下降到70.7%（-3dB）的頻率。上升時間是指探頭對步進函數10~90%的響應，表明了探頭可以從頭部到示波器輸入傳送的快速測量轉換。大多數探頭，帶寬與上升時間乘積接近0.35。在很多情況下，帶寬由脈衝上升時間驗證來保證最小失真。

4.2 電容

探頭頭部電容指標是指探頭探針上的電容，是探頭等效在被測電路測試點或被測設備上的電容。探頭對示波器一端也等效成一個電容，這個電容值應該與示波器電容相匹配。對10×和100×探頭，這一電容稱為補償電容，它不同於探頭頭部電容。下面將繼續介紹補償電容。

4.3 畸變(Aberration)

畸變是輸入信號預計響應或理想響應的任何幅度偏差。在實踐中，在快速波形轉換之間通常會立即發生畸變，其表現為所謂的“減幅振蕩”。沒有規定極限畸變的高頻探頭可以提供使人完全誤解的測量。存在畸變可以說明嚴重失真的帶寬和滾降(roll-off)特性。

4.4 衰減係數

當正確接上終端時，探頭應該有恆定的衰減係數。衰減係數是輸出信號對輸入信號的比值。某些探頭的可能會有可以選擇的衰減係數，典型的衰減係數是1×、10×和100×。1×檔和10×檔電路如圖4所示，這兩部分電路均由電阻電容組成。

4.5 探頭衰減補償

所謂探頭衰減補償是指當示波器和探頭配合使用時，調整探頭中的可變電容，以使頻率達到相對穩定。探頭補償意味著在探頭末端和示波器的輸入端之間頻率補償。探頭末端與示波器的輸入端的關係如圖5所示，調節C2可得如下關係：

圖5 電容探頭補償電路

示波器的輸入電阻雖然只有1MΩ，但是與其並聯的輸入電容卻根據機種的不同而有差異。即使是同一機種，每個通道上的輸入電容也不相同，所以，改變了示波器和探頭的組合，相應的也要改變探頭的相位補償。

探頭校準的方法如下：將探頭與探頭校準的方波信號輸出端子相連，探頭的特性為最佳狀態時，如圖6中(a)所示，若出現(b)，(c)所示的情況，請用改錐調整探頭上的頻率補償微調電容器進行校準。

圖6 探頭校準示意圖

4.6 額定最大電壓

額定最大電壓由DC + peak AC決定，即輸出電壓的直流值和交流峰值的總和不能超過示波器的額定電壓最大值，如果超過這個額定最大電壓，會損壞探頭。

4.7 電壓額定值隨頻率的下降

電壓探頭在低頻時的最大輸入電壓有明確的規定，隨著頻率的增加輸入電壓會相應降低。對於高頻探頭必須注意輸入電壓隨頻率的變化，在頻率高於1MHz時允許的輸入電壓隨頻率的增加而急劇下降。

將待測信號正確接入示波器是測試工作的第一步，這裡我們主要介紹探頭與被測電路連接時的注意事項。

1. 探頭與被測電路連接時，探頭的接地端務必與被測電路的地線相聯。否則在懸浮狀態下，示波器與其他設備或大地間的電位差可能導致觸電或損壞示波器、探頭或其他設備。

2. 測量建立時間短的脈衝信號和高頻信號時，請盡量將探頭的接地導線與被測點的位置鄰近。接地導線過長，可能會引起振鈴或過沖等波形失真。如圖7所示。

圖7 探頭接地方法示意圖

3. 為避免接地導線影響對高頻信號的測試，建議使用探頭的專用接地附件。如圖8所示為典型通用電壓探頭所帶有的標準測試附件。

圖8 帶有標準配件的典型通用電壓探頭（圖片來源於泰克《探頭ABC》）

4. 為避免測量誤差，請務必在測量前對探頭進行檢驗和校準，探頭衰減補償的校準原理和方法我們在前面已經介紹過，這裡不再贅述。

5. 對於高壓測試，要使用專用高壓探頭，分清楚正負極后，確認連接無誤才能通電開始測量。

6. 對於兩個測試點都不處於接地電位時，要進行“浮動”測量，也稱差分測量，要使用專業的差分探頭。

7 總結

探頭對示波器測量至關重要，所以要求探頭對探測的電路影響必須達到最小，並希望對測量值保持足夠的信號保真度。如果探頭以任何方式改變信號或改變電路運行方式，示波器會看到實際信號的失真結果，進而可能導致錯誤的測量結果，或者誤導性的測量結果。通過以上介紹可知，探頭的選購和正確使用有許多值得注意的地方，只有與示波器和被測電路都匹配良好的探頭才是您該選擇和使用的探頭。

數字示波器探頭在使用時，要保證地線夾子可靠的接了地(被測系統的地，非真正的大地)，不然測量時，就會看到一個很大的50Hz的信號，這是因為示波器的地線沒連好，而感應到空間中的50Hz工頻市電而產生的。如果你發現示波器上出現了一個幅度很強的50Hz信號(我國市電頻率為50Hz，國外有60Hz的)，這時你就要注意下看是否是探頭的地線沒連好。振動儀由於示波器探頭經常使用，可能會導致地線斷路。檢測方法是：將示波器調節到合適的掃描頻率和Y軸增益，然後用手觸摸探頭中間的探針，這時應該能看到波形，通常是一個50Hz的信號。如果這時沒有波形，可以檢查是否是探頭中間的信號線是否已經損壞。然後，將示波器探頭的地線夾子夾到探頭的探針(或者是鉤子)上，再去用手觸摸探頭的探針，這時應該看不到剛剛的信號(或者幅度很微弱)，這就說明探頭的地線是好的，否則地線已經損壞。通常是連接夾子那條線斷路，通常重新焊上即可，必要時可更換，注意連接夾子的地線不要太長，否則容易引入干擾，尤其是在高頻小信號環境下。

數字示波器探頭的地線夾子應該要靠近測量點，尤其是測量頻率較高、幅度較小的信號時。因為長長的地線，會形成一個環，它就像一個線圈，會感應到空間的電磁場。另外系統中的地線中電流較大時，會在地線上產生壓降，所以示波器探頭的地線應該連接到靠近被測試點附近的地上。探頭的X10擋具有更大的輸入阻抗，如測量晶振的振蕩波形時，應該使用探頭的X10檔。若採用X1擋，可能導致晶振停振，即或不停振，也有可能因過度改變振蕩條件而看不到真實的波形了。