作者：聶文偉
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示波器探頭是示波器使用過(guò)程中不可或缺的一部分，它主要是作為承載信號(hào)傳輸?shù)逆溌?，將待測(cè)信號(hào)完整可靠的傳輸至示波器,，以進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)量分析。很多工程師很看重示波器的選擇,，卻容易忽略對(duì)示波器探頭的甄別,。試想如果信號(hào)經(jīng)過(guò)前端探頭就已經(jīng)失真，那再**的示波器所測(cè)得的數(shù)據(jù)也會(huì)有誤,。所以正確了解探頭性能,，有效規(guī)避探頭使用誤區(qū)對(duì)我們?nèi)粘Ｊ褂檬静ㄆ鱽?lái)說(shuō)至關(guān)重要！
在絕大多數(shù)示波器測(cè)量環(huán)境下,，我們都需要使用探頭,。示波器探頭有很多種，內(nèi)部原理構(gòu)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(guò)程注意事項(xiàng)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(duì)于DC直流或一般低頻信號(hào)而言,，示波器探頭只是一個(gè)由特定阻抗R所形成的一段傳輸線纜。而隨著待測(cè)信號(hào)頻率的增加和不規(guī)則性，示波器探頭在測(cè)量過(guò)程中會(huì)引入寄生電容C以及電感L,，寄生電容會(huì)衰減信號(hào)的高頻成分，使信號(hào)的上升沿變緩,。寄生電感則會(huì)與寄生電容一起構(gòu)成諧振回路,，使信號(hào)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。所有這些都會(huì)對(duì)我們測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性帶來(lái)挑戰(zhàn),。
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(wú)源探頭和有源探頭,。無(wú)源探頭又分為無(wú)源低壓、無(wú)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(yīng)用下，還會(huì)使用到電流探頭（AC,、DC）,、近場(chǎng)探頭、邏輯探頭以及各類傳感器（光,、溫度,、振動(dòng)）探頭等。
無(wú)源探頭是*常用的一類電壓探頭,，也是我們?cè)谫?gòu)買示波器時(shí)標(biāo)配贈(zèng)送的探頭,。如圖2所示。
圖2 無(wú)源探頭示意圖
無(wú)源探頭一般使用通用型BNC接口與示波器相連,，所以大多數(shù)廠家的無(wú)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(biāo)準(zhǔn)的探頭除外）,，但由于示波器一般無(wú)法自動(dòng)識(shí)別其他品牌的探頭類型，所以此時(shí)需要手動(dòng)在示波器上設(shè)置探頭衰減比,，以保證示波器在測(cè)量時(shí)正確補(bǔ)償探頭帶來(lái)的信號(hào)衰減,。
圖3所示為日常*為常見的一類無(wú)源探頭原理示意圖，它由輸入阻抗Rprobe,、寄生電容Cprobe,、傳輸導(dǎo)線（一般1至1.5米左右）、可調(diào)補(bǔ)償電容Ccomp組成,。此類無(wú)源探頭一般輸入阻抗為10M?,，衰減比因子為10：1。
圖3無(wú)源探頭原理圖
在使用此類探頭時(shí),，示波器的輸入阻抗會(huì)自動(dòng)設(shè)置為高阻1M?,。此時(shí)示波器BNC通道輸入點(diǎn)的電壓Vscope與探頭前端所探測(cè)的電壓值Vprobe的關(guān)系滿足以下對(duì)應(yīng)關(guān)系：
Vprobe/Vscope = (9M? + 1M?) / 1M? = 10 : 1
由關(guān)系式可知，示波器得到的電壓是探頭探測(cè)到電壓的十分之一，這也是無(wú)源探頭10：1衰減因子的由來(lái),。無(wú)源探頭具備高阻抗10M?,，因此它對(duì)待測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)（將在**部分詳述）很小，能覆蓋一般低頻頻段（500MHz以內(nèi)）,，耐壓能力強(qiáng)（300V-400Vrms）,，價(jià)格便宜，通用性好,，所以得到廣泛使用,。
當(dāng)無(wú)源探頭的衰減因子為100：1、1000：1甚至更高時(shí),，此類探頭一般歸類為無(wú)源高壓探頭,。由于其衰減比很大，因此能測(cè)量高壓,、超高壓電信號(hào),。
圖4 R&S RT-ZH10高壓探頭
還有一類無(wú)源探頭，其衰減比為1：1,，信號(hào)未經(jīng)衰減直接經(jīng)過(guò)探頭傳輸至示波器,，其耐壓能力不及其它無(wú)源探頭，但它具備測(cè)試小信號(hào)的優(yōu)勢(shì),。由于不像10：1衰減比探頭那樣信號(hào)需要示波器再放大10倍顯示,，所以示波器內(nèi)部噪聲未放大，測(cè)量噪聲更小,，此類更適用于測(cè)試小信號(hào)或電源紋波噪聲,。
圖5 R&S HZ-154 1:1/10:1可調(diào)衰減比無(wú)源探頭
無(wú)源傳輸線探頭是另一類特殊的無(wú)源探頭，其特點(diǎn)是輸入阻抗相對(duì)較低,，一般為幾百歐姆,，支持帶寬更高，可達(dá)數(shù)GHz以上,。圖6為輸入阻抗為500?的10：1無(wú)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(lái)測(cè)量高頻信號(hào),。在使用傳輸線探頭時(shí)應(yīng)該注意將示波器輸入阻抗設(shè)置為50?,，以與傳輸線50?阻抗相匹配，傳輸線探頭的典型應(yīng)用為測(cè)量50?傳輸線上的電信號(hào),，通過(guò)SMA-N等不同的轉(zhuǎn)換接頭,，傳輸線探頭也可用在頻譜分析儀等其它測(cè)試設(shè)備上。
圖7傳輸線探頭的典型應(yīng)用
需要注意的是,，由于傳輸線探頭的低阻抗,，它的負(fù)載效應(yīng)會(huì)比較明顯,。因此，此類探頭僅適用于與低輸出阻抗（幾十至100歐姆）的電路測(cè)試,。對(duì)于更高輸出阻抗的電路,，我們可以選擇使用高阻有源探頭的方案，將在后續(xù)詳述,。
圖8 R&S RT-ZZ80 8.0GHz無(wú)源傳輸線探頭
介紹完無(wú)源探頭,，我們接下來(lái)看看有源探頭。顧名思義,，有源探頭區(qū)別于無(wú)源探頭*大的特點(diǎn)是“有源”，即它需要提供電源才能工作,。如今大多數(shù)有源探頭都配備有特殊借口,，通過(guò)與示波器連接從示波器獲得電源，而不需要額外提供外置電源（某些型號(hào)除外）,。下圖所示為有源單端探頭原理圖：
圖9 有源單端探頭原理圖
有源單端探頭一般具備高阻抗（1M?上下）,，低寄生電容。其前端有一個(gè)高帶寬的放大器,，有源探頭的供電主要用于此放大器,。放大器驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)50?傳輸線到達(dá)示波器，示波器的輸入阻抗需選擇為50?作匹配,。由于其較低的寄生電容和50歐姆傳輸,，有源單端探頭可以提供比無(wú)源探頭更高的帶寬，因此主要應(yīng)用在高頻信號(hào)的測(cè)量領(lǐng)域,。
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)往往是并存的,，有源單端探頭亦是如此。能夠測(cè)量更高帶寬的信號(hào)是其優(yōu)點(diǎn),，但由于要集成有源放大器,，因而其成本相對(duì)于無(wú)源探頭來(lái)說(shuō)更高，一個(gè)幾GHz帶寬的有源單端探頭價(jià)格可達(dá)數(shù)萬(wàn)人民幣,。除此之外,，由于高帶寬放大器的信號(hào)輸入范圍十分有限，因而其動(dòng)態(tài)范圍有限,，一般有源單端探頭的動(dòng)態(tài)范圍僅在幾伏范圍之內(nèi),，探頭所能承受的*大電壓也只有幾十伏。
相對(duì)于前面所說(shuō)的無(wú)源傳輸線探頭,，有源單端探頭同樣可以應(yīng)用在低阻抗高頻率信號(hào)的測(cè)量環(huán)境,，且由于其輸入阻抗相對(duì)于無(wú)源傳輸線探頭更高，因此它的負(fù)載效應(yīng)更小,。不僅如此,，R&S有源單端探頭還可以與RT-ZA9（N型轉(zhuǎn)換接頭,，USB供電）附件連接，進(jìn)而用在射頻信號(hào)源和頻譜分析儀上,，用來(lái)測(cè)試特殊環(huán)境下的信號(hào),，如傳統(tǒng)50歐姆同軸線纜無(wú)法連接的探測(cè)點(diǎn)處，或者需要使用高阻探頭探測(cè)待測(cè)點(diǎn)信號(hào)頻譜時(shí),。
圖10 R&S RT-ZS系列單端有源探頭與RT-ZA9 N型轉(zhuǎn)換頭相連
除了有源單端探頭之外,，有源差分探頭是另外一類重要的有源探頭。我們可以從字面上來(lái)理解這兩種探頭的區(qū)別,，有源單端的前端有兩處連接點(diǎn)：信號(hào)點(diǎn)和地,。有源差分顧名思義主要用來(lái)測(cè)試差分信號(hào)，探頭前端有三處連接點(diǎn)：信號(hào)正,、信號(hào)負(fù),、地。
圖11 有源單端探頭前端（左）與有源差分探頭前端（右）
有源差分探頭的原理圖如下：
圖12有源差分探頭原理圖
與有源單端探頭相比,，其*大不同在于使用了差分放大器,。有源差分探頭同樣具備低寄生電容和高帶寬特性，所不同的是,，有源差分探頭具有高共模抑制比（CMRR）,，對(duì)共模噪聲的抑制能力比較強(qiáng)。有源差分探頭主要用來(lái)測(cè)試差分信號(hào),，即測(cè)試兩路信號(hào)（一般為相位相差180度的正反信號(hào)）的相對(duì)電壓差,，與地?zé)o關(guān)。
圖13差分信號(hào)測(cè)試原理示意圖
上圖顯示了用有源差分探頭測(cè)試差分信號(hào)的原理,，圖中紅色波形顯示的為差分信號(hào)Vin+,，藍(lán)色波形顯示為差分信號(hào)Vin-，二者幅度相同,，相位相差180度,。Vin+和Vin-經(jīng)由差分探頭正、負(fù)探測(cè)點(diǎn)探測(cè)后經(jīng)過(guò)差分放大器放大,，然后傳輸至示波器,，*后得到如圖綠色差分波形。
這里要介紹幾個(gè)概念,，以便大家能夠更好的理解共模抑制比CMRR,。
共模（Common Mode）：差分信號(hào)兩端具有相同幅度和相位的信號(hào)成分，用表達(dá)式表示為Vcm =（Vin+ + Vin-）/2.
由于理想的Vin+,、Vin-幅度相同,，相位相反，所以二者相加應(yīng)該為零,。但在實(shí)際工作環(huán)境下,，Vin+,、Vin-上會(huì)疊加上噪聲干擾Vnoise。由于Vin+,、Vin-所處環(huán)境相同,，因而在二者上疊加的噪聲也往往相同，所以由CM表達(dá)式可知：CM = Vnoise.
差模（Differential Mode）：差分信號(hào)兩端不同的信號(hào)成分,，用表達(dá)式表示為Vdm = Vin+ -Vin-.
共模抑制（Common Mode Rejection）：差分放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力,，即差分放大器的一項(xiàng)主要能力是對(duì)Vnoise進(jìn)行抑制消除。如果共模電壓Vcm經(jīng)過(guò)差分放大器的增益為Acm,，差模電壓Vdm經(jīng)過(guò)差分放大器的增益為Adm,，則我們可以用共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio）即CMRR來(lái)表示共模抑制能力，其表達(dá)式為：
CMRR = Adm / Acm
舉例如下圖：差模信號(hào)Vdm幅度為1V,，經(jīng)過(guò)差分放大器后幅度仍然為1V,，即Adm = 1. 共模信號(hào)Vcm幅度為4.5V，經(jīng)過(guò)差分放大器后幅度抑制為0.45V,，即Acm=0.1. 因此，CMRR = 1 / 0.1 = 10：1 = 20dB,。
圖14 差分信號(hào)測(cè)試舉例
對(duì)于理想的差分放大器而言,，我們希望其完全抑制共模信號(hào)，從而消除噪聲Vnoise對(duì)差分信號(hào)測(cè)量的影響,。對(duì)于一般的差分信號(hào)測(cè)量而言,，20dB的CMRR已經(jīng)足夠，而R&S RT-ZD40的CMRR可達(dá)50dB,，性能非常優(yōu)異,。
圖15 R&S RT-ZD40有源差分探頭
值得一提的是，R&S的有源單端探頭和有源差分探頭上都配備了MicroButton多功能按鈕和ProbeMeter探頭計(jì)功能,。其中,，MicroButton是位于有源探頭前段的一個(gè)微型按鈕，用戶可以在測(cè)試時(shí)很方便的按動(dòng)按鈕,，從而執(zhí)行對(duì)示波器的特定控制（可自定義）,，如：自動(dòng)設(shè)置、默認(rèn)設(shè)
置,、單次運(yùn)行,、連續(xù)運(yùn)行等。
圖16 MicroButton多功能按鈕
ProbeMeter則是集成在有源探頭前端的16位DC電壓計(jì),，可用來(lái)直接在探頭點(diǎn)處測(cè)試直流電壓,，這與其他廠家使用探頭捕獲波形然后輸送到示波器，進(jìn)而對(duì)波形進(jìn)行測(cè)量得到DC數(shù)值的方案完全不同,。很顯然,，ProbeMeter摒除了探頭傳輸?shù)氖д嬗绊?，從而具備?.1%的高精準(zhǔn)度。在使用差分探頭時(shí),，可以借助此功能方便快捷查看單端,、共模、差模電壓數(shù)值,。
圖17 ProbeMeter探頭電壓計(jì)
有源差分探頭可用于絕大多數(shù)較小幅度差分信號(hào)的測(cè)量,，但對(duì)于幅度達(dá)上百甚至上千幅的高壓差分信號(hào)而言，有源查分探頭就顯得力不從心了,。此時(shí)我們只能借助于高壓差分探頭的幫忙,，相對(duì)于一般差分探頭而言，高壓差分探頭具有更高的動(dòng)態(tài)范圍,，能夠承受更高的電壓,。
圖18 R&S RT-ZD01 ±1400V 高壓差分探頭
高壓差分探頭相對(duì)于無(wú)源高壓探頭而言價(jià)格昂貴，因此有用戶在測(cè)試高壓差分信號(hào)時(shí)會(huì)選擇將示波器的電源接地線剪斷,，使示波器“浮起來(lái)”進(jìn)行測(cè)試,，這是非常危險(xiǎn)的，一定要杜絕此類行為,。我們將在**部分詳細(xì)說(shuō)明,。
電流探頭嚴(yán)格意義上說(shuō)也屬于有源探頭的一種，幾乎所有的電流探頭在使用過(guò)程中都需要供電,。
電流探頭主要分為三類：AC（僅能測(cè)試交流電）,、DC（僅能測(cè)試直流電）、AC+DC,。而目前大多數(shù)電流探頭都具備了AC+DC的測(cè)量功能,。
電流探頭的原理如下，主要是利用電磁效應(yīng)（AC測(cè)量）和霍爾效應(yīng)（DC測(cè)量）,。
圖19 AC+DC電流探頭原理圖
當(dāng)有AC電流經(jīng)過(guò)導(dǎo)線穿過(guò)電流探頭的前段閉合鉗口時(shí),，會(huì)有相應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生，通過(guò)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱直接感應(yīng)到電流探頭的線圈,。探頭就象一個(gè)電流變壓器,，系統(tǒng)直接測(cè)量的是感應(yīng)電流。
如果是DC或者低頻電流,，當(dāng)電流鉗閉合后,，電流導(dǎo)線附近會(huì)出現(xiàn)一個(gè)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)使霍爾傳感器內(nèi)的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn),，在霍爾傳感器的輸出產(chǎn)生一個(gè)電壓,。系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)電壓產(chǎn)生一個(gè)反相（補(bǔ)償）電流至電流探頭的線圈，使電流鉗中的磁場(chǎng)為零,，防止磁飽和,。系統(tǒng)根據(jù)反相電流測(cè)得實(shí)際得電流值,。
電流探頭的選擇主要依據(jù)其測(cè)量帶寬、量程以及鉗口直徑等,。
MSO數(shù)字邏輯探頭在數(shù)字邏輯測(cè)試中會(huì)經(jīng)常使用,，與一般8bit模擬探頭相比，數(shù)字邏輯探頭根據(jù)示波器所設(shè)置的判決門線電平,，將捕獲的電壓按照0,、1跳變（1bit）的數(shù)字信號(hào)在屏幕上顯示出來(lái)。用戶可以根據(jù)多路數(shù)字信號(hào)的邏輯電平及關(guān)系來(lái)判斷邏輯電路的性能,。
圖20 R&S RTO-B1數(shù)字邏輯探頭
EMI近場(chǎng)探頭是另一類特殊的探頭類型,，它實(shí)際使用了天線接收原理，用來(lái)捕獲電路板上空間輻射的電磁場(chǎng)干擾,，特別是在系統(tǒng)集成中做EMI電磁干擾的診斷,。
圖21 EMI近場(chǎng)探頭示意圖
除了以上給大家介紹的各種探頭之外，還有光探頭,、溫度傳感探頭及其他各類傳感探頭等,。原則上來(lái)說(shuō)，任何一款能夠?qū)⒏魑锢砹哭D(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并具備與示波器互連能力的傳感器都可以作為示波器探頭,，用戶可以根據(jù)具體使用環(huán)境和需求選擇適合的探頭類型,。
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