示波器探头分类及详细介绍

示波器是一种用途广泛的电子测量仪器。它利用电子示波器的特性，将人眼不能直接观察到的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上进行测量。使用示波器，可以观察到各种信号幅度随时间变化的波形，还可以用来测试各种电气量，如电压、电流、频率、相位差、调幅等。示波器的一个组成部分是示波器探头。
一、示波器探头介绍
示波器探头在测试点或信号源与示波器之间建立物理和电气连接；实际上，示波器探头是将信号源连接到示波器输入端的一种设备或网络，它必须在信号源和示波器输入端之间提供足够方便和高质量的连接。连接充分性存在三个关键问题：物理连接、对电路运行的影响和信号传输。
2、示波器探头的分类
市场上有成百上千种不同的示波器探头。示波器探头的技术指标之一是频率特性。按频率划分探头类型很方便，但示波器探头的频率覆盖范围有限，很难按LF、HF、VHF、UHF、RF等无线电频段进行划分。示波器探头是所有探头之一。z常用的探头是电压探头和电流探头，通常根据测量对象对探头进行分类。
1 无源电压探头
1.1 无源探头
无源探头由电线和连接器组成，在需要补偿或衰减时还包括电阻器和电容器。探头中没有有源元件（晶体管或放大器），因此无需为探头供电。无源探头通常是z坚固、z经济的探头，它们不仅易于使用，而且用途广泛。
1.2 高阻抗无源电压探头
从实际需要来看，使用最多的电压探头是高阻抗无源电压探头，占比最大。无源电压探头针对不同的电压范围提供 1×、10× 和 100× 的各种衰减因子。在这些无源探头中，10×无源电压探头是z常用的探头。信号幅度对于 1V 峰峰值或更低的应用，1× 探头可能更合适，甚至是bi不可少的。在中低幅度信号混合的应用中（几十毫伏到几十伏），可切换的 1×/10× 探头更加方便。然而，可切换的 1×/10× 探头本质上是一种产品中的两种不同探头，不仅具有不同的衰减系数，而且具有不同的带宽、上升时间和阻抗（R 和 C）特性。因此，这些探头无法与示波器的输入wan美匹配，也无法提供标准 10 倍探头所能达到的最佳性能。
1.3 低阻无源电压探头
大多数高阻抗无源探头的带宽范围从小于 100MHz 到 500MHz 或更高。另一方面，低阻抗无源电压探头（也称为 50 欧姆探头、Zo 探头、分压器探头）具有良好的频率特性，使用与同轴电缆匹配的探头，带宽高达 10GHz，上升幅度为 100 皮秒或更快的时间。该探头设计用于 50 欧姆环境，通常是高速设备表征、微波通信和时域反射计 (TDR)。
1.4 无源高压探头
“高压"是一个相对概念。从探头的角度来看，我们可以将高压定义为超过典型通用 10 倍无源探头可以安全处理的电压。高压探头需要良好的介电强度，以确保用户和示波器的安全。
2. 有源电压探头
2.1 有源探头
有源探头包含或依赖于晶体管等有源器件。最常见的是，有源器件是一种场效应晶体管 (FET)，它提供非常低的输入电容，从而在更宽的频带上产生高输入阻抗。从下面的Xc公式可以看出：
2.2 有源 FET 探头
有源 FET 探头的规定带宽一般在 500MHz 和 4GHz 之间。除了更高的带宽之外，有源 FET 探头的高输入阻抗允许在未知阻抗的测试点进行测量，并且负载效应的风险要低得多。此外，由于电容低，地线效应降低，可以使用更长的地线。
有源 FET 探头没有无源探头的电压范围。有源探头的线性动态范围通常在 ±0.6V 和 ±10V 之间。
2.3 有源差分探头
差分信号是交叉参考信号，而不是接地参考信号。差分探头可以测量浮动装置的信号。本质上，它是由两个对称的电压探头组成，分别具有良好的绝缘性和对场的高阻抗。差分探头在更宽的频率范围内提供高共模抑制比 (CMRR)。
3 电流探头
原则上，用电压探头测得的电压值除以测得的阻抗值，很容易得到电流值。但实际上这种测量引入的误差是很大的，所以一般不采用将电压转换为电流的方法。电流探头可以精确测量电流波形，方法是利用电流互感器输入，信号电流磁通经变压器转换成电压，再经探头内的放大器放大后送入示波器。
3.1 交流电流探头
在交流电流互感器中，随着电流方向的改变，电场发生变化，感应出电压。交流电流探头是无源设备，不需要外部电源。
3.2 直流电流探头
传统的电流探头只能测量交流信号，因为稳定的直流电流不能在变压器中感应出电流。然而，利用霍尔效应，被电流偏置的半导体器件会产生对应于直流电场的电压。因此，直流电流探头是一种需要外部电源的有源器件。
因此，电流探头基本上分为两类：交流电流探头和交直流电流探头。 AC电流探头通常是无源探头，AC/DC电流探头通常是有源探头。
4 个逻辑探头
使用示波器观察和分析数字波形的模拟特性时，需要使用逻辑探头。为了找出确切的原因，数字设计人员通常需要查看在特定逻辑条件下出现的特定数据脉冲。这需要逻辑触发功能。图 3 是逻辑探头的示意图，可以添加到大多数示波器中。
5 其他探头
由于示波器的应用范围广泛，除上述探头类型外，还有各种特殊探头。这些专业探头根据其前端传感器具有不同的功能。我们将在下面介绍其中的两个。仅供读者理解。
原理上，光电探头是普通电压探头和光电转换器件的组合，可以直接测量光器件和光纤传输的光信号。
温度探头是普通电压探头和温度传感器的组合，可以直接测量物体的温度。温度探头是传感器探头的一种。各种传感器探头和示波器可以测量各种物理量。
三、示波器探头使用注意事项
将被测信号正确连接到示波器是测试工作的第一步。这里我们主要介绍将探头连接到被测电路时的注意事项。
1、探头与被测电路连接时，探头的接地端必须与被测电路的地线相连。否则，在悬挂状态下，示波器与其他设备或大地之间的电位差可能导致触电或损坏示波器、探头或其他设备。
2. 测量建立时间短的脉冲信号和高频信号时，请尽量将探头的地线靠近被测点。过长的接地线可能会导致波形失真，例如振铃或过冲。
3、为防止地线影响高频信号的测试，建议使用探头专用的接地附件。图 8 显示了典型通用电压探头随附的标准测试附件。
4、为避免测量误差，测量前请务必检查校准探头。探头衰减补偿的校准原理和方法前面已经介绍过，这里不再赘述。
5. 高压测试，使用专用高压探头。区分正负极后，确认连接无误后即可开始测量。
6、当两个测试点不处于地电位时，应进行“浮动"测量，也称为差分测量，应使用专业的差分探头。
7 总结
探头对于示波器测量至关重要，因此要求探头对探测电路的影响最小，并且希望保持足够的信号保真度。如果探头以任何方式改变信号或改变电路的运行方式，示波器将看到实际信号的失真结果，这可能导致错误或误导性的测量。从上面的介绍可以看出，在探头的选择和正确使用上，有很多值得注意的地方。只有与示波器和被测电路匹配良好的探头才是您应该选择和使用的探头。