示波器探頭基礎入門指南(上)

在絕大多數示波器測量環境下，我們都需要使用探頭。示波器探頭有很多種，內部原理構造迥異，使用方法也各不相同。本文主要給大家介紹示波器探頭的種類及工作原理，探頭使用過程注意事項以及如何選擇示波器探頭。

1 示波器探頭種類及工作原理

對于DC直流或一般低頻信號而言，示波器探頭只是一個由特定阻抗R所形成的一段傳輸線纜。而隨著待測信號頻率的增加和不規則性，示波器探頭在測量過程中會引入寄生電容C以及電感L，寄生電容會衰減信號的高頻成分，使信號的上升沿變緩。寄生電感則會與寄生電容一起構成諧振回路，使信號產生諧振現象。所有這些都會對我們測量信號的準確性帶來挑戰。

圖1 探頭電氣特性示意圖

示波器探頭按供電方式分可分為無源探頭和有源探頭。無源探頭又分為無源低壓、無源高壓及低阻傳輸線探頭等，有源探頭又分為有源單端、有源差分、高壓差分探頭等。此外，在一些特殊應用下，還會使用到電流探頭（AC、DC）、近場探頭、邏輯探頭以及各類傳感器（光、溫度、振動）探頭等。

無源探頭是最常用的一類電壓探頭，也是我們在購買示波器時標配贈送的探頭。如圖2所示。

圖2 無源探頭示意圖

無源探頭一般使用通用型BNC接口與示波器相連，所以大多數廠家的無源探頭可以在不同品牌的示波器上通用（某些廠家特殊接口標準的探頭除外），但由于示波器一般無法自動識別其他品牌的探頭類型，所以此時需要手動在示波器上設置探頭衰減比，以保證示波器在測量時正確補償探頭帶來的信號衰減。

圖3所示為日常最為常見的一類無源探頭原理示意圖，它由輸入阻抗Rprobe、寄生電容Cprobe、傳輸導線（一般1至1.5米左右）、可調補償電容Ccomp組成。此類無源探頭一般輸入阻抗為10M?，衰減比因子為10：1。

圖3無源探頭原理圖

在使用此類探頭時，示波器的輸入阻抗會自動設置為高阻1M?。此時示波器BNC通道輸入點的電壓Vscope與探頭前端所探測的電壓值Vprobe的關系滿足以下對應關系：

Vprobe/Vscope = (9M? + 1M?) / 1M? = 10 : 1

由關系式可知，示波器得到的電壓是探頭探測到電壓的十分之一，這也是無源探頭10：1衰減因子的由來。無源探頭具備高阻抗10M?，因此它對待測電路的負載效應（將在第二部分詳述）很小，能覆蓋一般低頻頻段（500MHz以內），耐壓能力強（300V-400Vrms），價格便宜，通用性好，所以得到廣泛使用。

當無源探頭的衰減因子為100：1、1000：1甚至更高時，此類探頭一般歸類為無源高壓探頭。由于其衰減比很大，因此能測量高壓、超高壓電信號。

圖4 R&S RT-ZH10高壓探頭

還有一類無源探頭，其衰減比為1：1，信號未經衰減直接經過探頭傳輸至示波器，其耐壓能力不及其它無源探頭，但它具備測試小信號的優勢。由于不像10：1衰減比探頭那樣信號需要示波器再放大10倍顯示，所以示波器內部噪聲未放大，測量噪聲更小，此類更適用于測試小信號或電源紋波噪聲。

圖5 R&S HZ-154 1:1/10:1可調衰減比無源探頭

無源傳輸線探頭是另一類特殊的無源探頭，其特點是輸入阻抗相對較低，一般為幾百歐姆，支持帶寬更高，可達數GHz以上。圖6為輸入阻抗為500?的10：1無源傳輸線探頭原理圖：

圖6傳輸線探頭原理圖

傳輸線探頭具備低寄生電容，低輸入阻抗的特性，一般用來測量高頻信號。在使用傳輸線探頭時應該注意將示波器輸入阻抗設置為50?，以與傳輸線50?阻抗相匹配，傳輸線探頭的典型應用為測量50?傳輸線上的電信號，通過SMA-N等不同的轉換接頭，傳輸線探頭也可用在頻譜分析儀等其它測試設備上。