示波器因?yàn)橛刑筋^的存在而擴(kuò)展了示波器的應(yīng)用范圍，使得示波器可以在線測試和分析被測電子電路，如圖 1 所示。

圖 1 示波器探頭的作用

探頭的選擇和使用需要考慮兩方面：

1. 因?yàn)樘筋^有負(fù)載效應(yīng)，探頭會(huì)直接影響被測信號和被測電路。

2. 探頭是整個(gè)示波器測量系統(tǒng)的一部分，會(huì)直接影響儀器的信號保真度和測試結(jié)果。

探頭的負(fù)載效應(yīng)

當(dāng)探頭探測到被測電路后，探頭成為了被測電路的一部分。

探頭的負(fù)載效應(yīng)可分為三類：

阻性負(fù)載效應(yīng)。容性負(fù)載效應(yīng)。感性負(fù)載效應(yīng)。

圖 2 探頭的負(fù)載效應(yīng)

1 阻性負(fù)載

阻性負(fù)載相當(dāng)于在被測電路上并聯(lián)了一個(gè)電阻，對被測信號有分壓的作用，影響被測信號的幅度和直流偏置。有時(shí)，加上探頭時(shí)，有故障的電路可能變得正常了。一般推薦探頭的電阻 R>10 倍被測源電阻，以維持小于 10%的幅度誤差。

圖 3 探頭的阻性負(fù)載

2 容性負(fù)載

容性負(fù)載相當(dāng)于在被測電路上并聯(lián)了一個(gè)電容，對被測信號有濾波的作用，影響被測信號的上升下降時(shí)間，影響傳輸延遲，影響傳輸互連通道的帶寬。有時(shí)，加上探頭時(shí)，有故障的電路變得正常了，這個(gè)電容效應(yīng)起到了關(guān)鍵的作用。一般推薦使用電容負(fù)載盡量小的探頭，以減小對被測信號邊沿的影響。

圖 4 探頭的容性負(fù)載

3 感性負(fù)載

感性負(fù)載來源于探頭地線的電感效應(yīng)，這地線電感會(huì)與容性負(fù)載和阻性負(fù)載形成諧振，從而使顯示的信號上出現(xiàn)振鈴。如果顯示的信號上出現(xiàn)明顯的振鈴，需要檢查確認(rèn)是被測信號的真實(shí)特征還是由于接地線引起的振鈴，檢查確認(rèn)的方法是使用盡量短的接地線。一般推薦使用盡量短的地線。

地線電感=1nH/mm

圖 5 探頭的感性負(fù)載

探頭的分類

示波器探頭大的方面可以分為：無源探頭和有源探頭兩大類。

無源探頭

無源探頭細(xì)分：低阻電阻分壓探頭、帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭(最常用的無源探頭)、高壓探頭。

低阻電阻分壓探頭：

低阻電阻分壓探頭具備較低的電容負(fù)載(<1pf)，較高的帶寬(>1.5GHz)，較低的價(jià)格，但是電阻負(fù)載非常大，一般只有 500ohm 或 1Kohm，所以只適合測試低源阻抗的電路，或只關(guān)注時(shí)間參數(shù)測試的電路。

圖 6 低輸入電阻探頭結(jié)構(gòu)

帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭：

帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭是最常用的無源探頭，一般示波器標(biāo)配的探頭都是此類探頭。帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭具備較高的輸入電阻(一般 1Mohm 以上)，可調(diào)的補(bǔ)償電容，以匹配示波器的輸入，具備較高的動(dòng)態(tài)范圍，可以測試較大幅度的信號(幾十幅以上)，價(jià)格也較低。但是不知之處是輸入電容過大(一般 10pf 以上)，帶寬較低(一般 500MHz 以內(nèi))。

圖 7 常用的無源探頭結(jié)構(gòu)

帶補(bǔ)償?shù)母咦锜o源探頭有一個(gè)補(bǔ)償電容，當(dāng)接上示波器時(shí)，一般需要調(diào)整電容值（需要使用探頭自帶的小螺絲刀來調(diào)整，調(diào)整時(shí)把探頭連接到示波器補(bǔ)償輸出測試位置），以與示波器輸入電容匹配，以消除低頻或高頻增益。圖 8 的左邊是存在高頻或低頻增益，調(diào)整后的補(bǔ)償信號顯示波形如圖 8 的右邊所示。

圖 8 無源探頭的補(bǔ)償

高壓探頭：

高壓探頭是帶補(bǔ)償?shù)臒o源探頭的基礎(chǔ)上，增大輸入電阻，使得衰減加大(如，100:1 或 1000:1 等)。因?yàn)樾枰褂媚透邏旱脑骷愿邏禾筋^一般物理尺寸較大。

圖 9 高壓探頭的結(jié)構(gòu)

有源探頭

單端有源探頭、差分探頭、電流探頭。

先來觀察一下用 600MHz 無源探頭和 1.5GHz 有源探頭，測試 1ns 上升時(shí)間階躍信號的影響。使用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè) 1ns 的階躍信號，通過測試夾具后，使用 SMA 電纜直接連接到一個(gè) 1.5GHz 帶寬的示波器上，這樣示波器上會(huì)顯示一個(gè)波形(圖 10 中的藍(lán)色信號)，把這個(gè)波形存為參考波形。

然后使用探頭點(diǎn)測測試夾具去探測被測信號，通過 SMA 直連的波形因?yàn)槭芴筋^負(fù)載的影響而變成黃色的波形，探頭通道顯示的是綠色的波形。然后分別測試上升時(shí)間，可以看出無源探頭和有源探頭對高速信號的影響。

圖 10 無源探頭和有源探頭對被測信號和測量結(jié)果的影響

具體測試結(jié)果如下：

1. 使用 1165A 600MHz 無源探頭，使用鱷魚嘴接地線。受探頭負(fù)載的影響，上升時(shí)間變?yōu)椋?.9ns；探頭通道顯示的波形存在振鈴，上升時(shí)間為：1.85ns。

2. 使用 1156A 1.5GHz 有源探頭，使用 5cm 接地線。受探頭負(fù)載的影響較小，上升時(shí)間仍為：1ns；探頭通道顯示的波形與原始信號一致，上升時(shí)間仍為：1ns。

單端有源探頭：

單端有源探頭結(jié)構(gòu)如圖 11 所示，使用放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高(一般達(dá) 100Kohm 以上)，而輸入電容較小(一般小于 1pf)，通過探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用 50ohm 輸入阻抗。有源探頭帶寬寬(現(xiàn)在可達(dá) 30GHz)，而負(fù)載小，但是價(jià)格相對較高(一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價(jià)格的 10%左右)，動(dòng)態(tài)范圍較小，比較脆弱，使用需小心。需要注意，因?yàn)槌^探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號，不能正確測試，一般動(dòng)態(tài)范圍 5V 左右。

圖 11 單端有源探頭結(jié)構(gòu)

差分探頭：

差分探頭結(jié)構(gòu)如圖 12 所示，使用差分放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高（一般達(dá) 50Kohm 以上），而輸入電容較小（一般小于 1pf)，通過差分探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用 50ohm 輸入阻抗。差分探頭帶寬非常寬（現(xiàn)在可達(dá) 30GHz），負(fù)載非常小，具有較高共模抑制比，但是價(jià)格相對較高（一般每根探頭達(dá)到同樣帶寬示波器價(jià)格的 10%左右)，動(dòng)態(tài)范圍也較小（這個(gè)需要注意，因?yàn)槌^探頭動(dòng)態(tài)范圍的信號，不能正確測試。一般動(dòng)態(tài)范圍 3V 左右），比較脆弱，使用需小心。

差分探頭適合測試高速差分信號（測試時(shí)不用接地），適合放大器測試，電源測試，適合虛地測試等應(yīng)用。

圖 12 差分探頭結(jié)構(gòu)

電流探頭：

電流探頭也是有源探頭，利用霍爾傳感器和感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)直流和交流電流的測量。電流探頭把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，示波器采集電壓信號，再顯示成電流信號。電流探頭可以測試幾十毫安到幾百安培的電流，使用時(shí)需要引出電流線（電流探頭是把導(dǎo)線夾在中間進(jìn)行測試的，不會(huì)影響被測電路）。

無源探頭與有源探頭對比

表 1 有源探頭和無源探頭對比