示波器探头原理及种类（1）任何使用过示波器的人都会接触过探头，通常我们说的示波器是用来测电压 信号的（也有测光或电流的，都是先通过相应的传感器转成电压量测量），探头的 主要作用是把被测的电压信号从测量点引到示波器进行测量。

大部分人会比较关注示波器本身的使用，却忽略了探头的选择。

实际上探头 是介于被测信号和示波器之间的中间环节，如果信号在探头处就已经失真了，那么 示波器做的再好也没有用。

实际上探头的设计要比示波器难得多，因为示波器内部 可以做很好的屏蔽，也不需要频繁拆卸，而探头除了要满足探测的方便性的要求以 外，还要保证至少和示波器一样的带宽，难度要大得多。

因此最早高带宽的实时示 波器刚出现时是没有相应的探头的，又过了一段时间探头才出来。

要选择合适的探头，首要的一点是要了解探头对测试的影响，这其中包括 2 部分的含义：1/探头对被测电路的影响；2/探头造成的信号失真。

理想的探头应该 是对被测电路没有任何影响，同时对信号没有任何失真的。

遗憾的是，没有真正的 探头能同时满足这两个条件，通常都需要在这两个参数间做一些折衷。

为了考量探头对测量的影响，我们通常可以把探头模型简单等效为一个 R、 L、C 的模型，把这个模型和我们的被测电路放在一起分析。

首先，探头本身有输入电阻。

和万用表测电压的原理一样，为了尽可能减少 对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻 Rprobe 要尽可能大。

但由于 Rprobe 不可能做到无穷大，所以就会和被测电路产生分压，实际测到的电压可能不是探头 点上之前的真实电压，这在一些电源或放大器电路的测试中会经常遇到。

为了避免 探头电阻负载造成的影响，一般要求 Rprobe 要大于 Rsource 和 Rload 的 10 倍以上。

大部分探头的输入阻抗在几十 k 欧姆到几十兆欧姆间。

其次，探头本身有输入电容。

这个电容不是刻意做进去的，而是探头的寄生 电容。

这个寄生电容也是影响探头带宽的最重要因素，因为这个电容会衰减高频成 分，把信号的上升沿变缓。

通常高带宽的探头寄生电容都比较小。

理想情况下 Cprobe 应该为 0，但是实际做不到。

一般无源探头的输入电容在 10pf 至几百 pf 间， 带宽高些的有源探头输入电容一般在 0.2pf 至几 pf 间。

再其次，探头输入端还会受到电感的影响。

探头的输入电阻和电容都比较好 理解，探头输入端的电感却经常被忽视，尤其是在高频测量的时候。

电感来自于哪 里呢？我们知道有导线就会有电感，探头和被测电路间一定会有一段导线连接，同 时信号的回流还要经过探头的地线。

通常 1mm 探头的地线会有大约 1nH 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组成了谐振回路，当电 感值太大时，在输入信号的激励下就有可能产生高频谐振，造成信号的失真。

所以 高频测试时需要严格控制信号和地线的长度，否则很容易产生振铃。

――未完待续示波器探头原理及种类（2）在了解探头的结构之前，需要先了解一下示波器输入接口的结构，因为这里 是连接探头的地方，示波器的输入接口电路和探头共同组成了我们的探测系统。

大部分的示波器输入接口采用的是 BNC 或兼容 BNC 的形式。

示波器的输入 端有 1M 欧姆或 50 欧姆的匹配电阻。

示波器的探头种类很多，但是示波器的的匹 配永远只有 1M 欧姆或 50 欧姆两种选择，不同种类的探头需要不同的匹配电阻形 式。

从电压测量的角度来说，为了对被测电路影响小，示波器可以采用 1M 欧姆 的高输入阻抗，但是由于高阻抗电路的带宽很容易受到寄生电容的影响。

所以 1M 欧姆的输入阻抗广泛应用与 500M 带宽以下的测量。

对于更高频率的测量，通常采 用 50 欧姆的传输线，所以示波器的 50 欧姆匹配主要用于高频测量。

传统上来说，市面上 100MHz 带宽以下的示波器大部分只有 1M 欧姆输入， 因为不会用于高频测量；100MHz～1GHz 带宽的示波器大部分有 1M 欧姆和 50 欧 姆的切换选择，同时兼顾高低频测量；2GHz 或更高带宽的示波器由于主要用于高 频测量，所以大部分只有 50 欧姆输入。

不过随着市场的需求，有些 2GHz 以上的 示波器也提供了 1M 欧姆和 50 欧姆的输入切换。

广义的意义上说，测试电缆也属于一种探头，比如 BNC 或 SMA 电缆，而且 这种探头既便宜性能又高。

但是使用测试电缆连接时需要在被测电路上也有 BNC或 SMA 的接口，所以应用场合有限，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，还是需要专门的探头。

示波器的探头按是否需要供电可以分为无源探头和有源探头，按测量的信号 类型可以分为电压探头、电流探头、光探头等。

所谓的无源探头，是指整个探头都 由无源器件构成，包括电阻、电容、电缆等；而有源探头内部一般有放大 器，放 大器是需要供电的，所以叫有源探头。

――未完待续示波器探头原理及种类（3）无源探头根据输入阻抗的大小又分为高阻无源探头和低阻无源探头两种。

高阻无源探头即我们通常所说的无源探头，应用最为广泛，基本上每个使用 过示波器的人都接触过这种探头。

高阻无源探头和示波器相连时，要求示波器端的 输入阻抗是 1M 欧姆。

以下是一个 10：1 高阻无源探头的原理框图。

为了方便测量，探头通常都会有 1 米左右的长度，如果不加匹配电路，很 难想象探头能够提供数百兆 Hz 的带宽的。

示波器的输入寄生电容也会影响带宽。

为了改善探头的高频相应，探头前端会有相应的匹配电路，最典型的就是一个 Rprobe 和 Cprobe 的并联结构。

探头要在带内产生平坦增益的一个条件是要满足 Rprobe*Cprobe=Rscope*Cscope，具体推导就不做了，感兴趣的可以自己推一下。

我们前面介绍过，Cscope 是示波器的寄生电容，所以其只能控制在一定范围内， 但不能精确控制，也就是说不同示波器或示波器的不同通道间 Cscope 的值会不太 一样。

为了补偿不同通道 Cscope 的变化，在探头接示波器的一端处一般至少会有 一个可调电容 Ccomp。

当探头接在不同通道上时可以通过调整 Ccomp 来补偿 Cscope 的变化。

几乎所有示波器都提供一个低频方波的输出，可以通过用探头测 量这个方波的形状来做调整。

Rprobe 在改善频响的同时会和示波器输入电阻产生一个分压，所谓 10：1 的分压就是指示波器实际测量到的电压是探头前端处电压的 1/10，也就是信号经 过探头会有一个 10 倍衰减。

比较简单的探头需要手工设置示波器的探头衰减倍数 来得到正确的显示，更多的探头在和示波器连接端有一个自动检测的针脚，当探头 插上时示波器可以通过这个 pin 读出探头的衰减比，并自动调整显示的比例。

高阻无源探头中还有 2 个特殊的种类。

一类是高压探头，其衰减比可达 100:1 或 1000:1，所以测量电压范围很大；还有一类是 1:1 的探头，即信号没有衰 减就进入示波器，由于不象 10：1 的探头那样需要示波器再放大显示，所以示波 器本身的噪声没有放大，测量的噪声会小很多，在小信号和电源纹波的测量场合应 用很多。

高阻无源探头的优点是便宜，因为成本不高，同时输入阻抗高，测量范围大， 连接方便，所以广泛应用于通用测试场合。

但是随着测试频率的提高，各种二阶寄 生参数很难控制，仅仅靠简单的匹配电路已经不能把带宽再提高了，所以高阻无源 探头的带宽一般都在 600MHz 以下。

――未完待续示波器探头原理及种类（4）另一种无源探头是低阻无源探头，这是最不常用的一种探头，但有其自身的 特点。

以下是这种探头的原理框图。

低阻无源探头要求示波器的输入阻抗为 50 欧姆，前端等效串了一个分压电 阻。

根据串阻阻值的不同，可以实现不同的分压比，比如串个 450 欧姆的电阻就 是 10：1 的分压。

由于采用 50 欧姆的传输电缆，示波器端也是 50 欧姆的匹配， 所以整个探头的带宽比较高。

如 Agilent 的 54006A 探头带宽可以达 6GHz。

但是由于探头的输入阻抗低（只有 500 欧姆或 1k 欧姆），测试中如果并在 电路里还是可能对被测信号产生一点影响的，特别对高输出阻抗的电路，因此应用 不是特别广泛。

低阻无源探头的最大好处是以接近普通高阻无源探头的价格提供了比较高的 测试带宽（1G～6GHz），缺点主要是输入阻抗低。

――未完待续示波器探头原理及种类（5）前面我们介绍过高阻无源探头的输入阻抗高，但带宽做不高，低阻无源探头带宽可 以做高但输入阻抗不高。

那么能不能有一种探头输入阻抗又高带宽又高呢？实际上 是有的，这种探头就是有源探头。

其实有源探头也是个广泛的说法，是指需要供电的探头。

应用比较广泛的有源电压 探头的原理如下。

有源探头的前端有一个高带宽的放大器，放大器是需要供电的，这也是有源探头名 称的由来。

我们知道放大器的输入阻抗都是比较高的，所以有源探头可以提供比较 高的输入阻抗；同时放大器的输出驱动能力又很强，所以可以直接驱动后面 50 欧 姆的负载和传输线。

由于 50 欧姆的传输线可以提供很高的传输带宽，再加上放大 器本身带宽较高，所以整个探头系统相比无源探头就可以提供更高带宽。

我们可以看到有源探头的所有优异特性都是由其前端的放大器带来的，但是这个高 带宽的放大器造价很高，而且又要放在探头前端有限的空间内，因此实现成本很高。

一般无源探头的价格都是几百美金左右，而有源探头的价格普遍在几千美金量级， 所以有源探头一般用在需要高的测量带宽的场合。

但是有源探头也不是没有缺点，限制有源探头广泛应用的除了价格因素外，另外一 个原因在于其有限的动态范围。

我们知道象这种高带宽放大器的输入电压范围是不 可能很大的，所以它不可能象无源探头有那么大的测量范围。

一般常用的 10：1 的无源探头的动态范围普遍在几百伏，而一般有源探头的典型动态范围都在几伏左 右，所以应用场合会有一些限制。

有源探头里还有一个分支是差分有源探头，区别在于其前端的放大器是差分放大器。

差分放大器的好处是可以直接测试高速的差分信号，同时其共模抑制比高，对共模 噪声的抑制能力比较好。

还有一种有源探头是电流探头，电流探头使的前端有一个磁环，使用时这个磁环套 在被测的供电线上。

由于电流流过电线所产生的磁场就被这个磁环收集到，磁通量 和电线上流过的电流成正比。

磁环内部有一个霍尔传感器，可以检测磁通量，其输 出电压和磁通量成正比。

因此，电流探头的输出电压就和被测电线上流过的电流成 正比。

典型电流探头的转换系数是 0.1V/A 或 0.01V/A。

电流探头的主要好处是不用断开供电线就可以进行电流测量，同时由于其基于霍尔 效应，所以即可以进行直流测量，也可以用于交流测量。