示波器探頭類型和用法介紹

本文將介紹各種探頭的類型和用法

什么是探頭：

示波器是電子工程師最常用的測(cè)量?jī)x器，而示波器探頭毫無疑問是示波器最常用的配件。示波器探頭是連接被測(cè)電路與示波器輸入端的電子部件。沒有探頭，示波器就成了個(gè)擺件，只能作為裝飾品啦。

在選擇示波器探頭之前，我們最好看看示波器的說明書，了解我們使用的示波器適合怎么樣的探頭。下面幾點(diǎn)我們認(rèn)為應(yīng)該是在選探頭時(shí)比較重要的：

• 確保探頭的接口和我們示波器的接口相匹配。大多數(shù)示波器的探頭接口都是BNC接口。有的示波器可能是SMA接口。
• 觀察選擇的探頭的輸入阻抗和電容是否和示波器的輸入阻抗和電容相匹配。因?yàn)槲覀兌枷Ｍ结槍?duì)被測(cè)電路的影響降到最小。探頭阻抗和電容同示波器的匹配程度會(huì)大大影響測(cè)量信號(hào)的精確度。

BNC接口

SMA接口

有的示波器會(huì)支持 50 Ω or 1 MΩ 輸入阻抗切換。但對(duì)于大多數(shù)的測(cè)量，1 MΩ 是最最常見的。50 Ω 的輸入阻抗往往被用于測(cè)量高速信號(hào)，比如微波。還有邏輯電路中的信號(hào)傳輸延遲和電路板阻抗測(cè)量等。

示波器的輸入阻抗往往可以定格為 1 MΩ 或 50 Ω, 但示波器的輸入電容卻受帶寬和其它設(shè)計(jì)因素影響。通常而言，1 MΩ阻抗的示波器常見的輸入電容為14pF。這個(gè)數(shù)值也可能在5pF到100pF之間。所以為了讓探頭匹配示波器的輸入電容，在選擇探頭之前要了解探頭的電容范圍，然后通過校準(zhǔn)棒來調(diào)節(jié)探頭的電容，這就是探頭的補(bǔ)償，也是我們使用探頭時(shí)應(yīng)該注意的第一步。

那么我們需要多少個(gè)探頭和哪些探頭呢？

根據(jù)我們測(cè)量需求的不同，對(duì)探頭的數(shù)量和種類要求也是不同的。這有點(diǎn)像玩單反的人，也許他只有一臺(tái)相機(jī)，但是往往卻有很多個(gè)鏡頭。比如說，如果只是簡(jiǎn)單的測(cè)量直流電壓，那么1 MΩ的無源探頭基本就足夠了。然而如果是電源系統(tǒng)測(cè)試中經(jīng)常要求測(cè)量的三相供電中的火線與火線，或者火線與零（中）線的相對(duì)電壓差，那么我們就需要用到差分探頭了。

差分探頭

無源探頭

無源探頭是最常見的探頭，一般購(gòu)買示波器的時(shí)候廠家就會(huì)標(biāo)配幾個(gè)。常見的無源探頭由探頭頭部、探頭電纜、補(bǔ)償設(shè)備或其他信號(hào)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)和探頭連接頭組成。在這些類型的探針中沒有使用有源元件，如晶體管或放大器，所以不需要為探頭供電。總的來說，無源探頭更常見，更容易使用，也更便宜。常見的無源探頭可調(diào)衰減比例有：

1×: 沒有衰減

10×: 10倍衰減

100×: 100倍衰減

1000×: 1000倍衰減

無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)。在這些無源探頭中，10×無源電壓探頭是最常用的探頭。對(duì)信號(hào)幅度是1V峰峰值或更低的應(yīng)用，1×探頭可能比較適合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信號(hào)混合（幾十毫伏到幾十伏）的應(yīng)用中，可切換1×/10×探頭要方便得多。但是，可切換1×/10×探頭在本質(zhì)上是一個(gè)探頭中的兩個(gè)不同探頭，不僅其衰減系數(shù)不同，而且其帶寬、上升時(shí)間和阻抗（R和C）特點(diǎn)也不同。因此，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提供標(biāo)準(zhǔn)10×探頭實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)性能。

探頭衰減是通過內(nèi)部電阻器來擴(kuò)大示波器的電壓測(cè)量范圍的，該內(nèi)部電阻器與示波器的輸入電阻一起使用時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)分壓器。 例如，一個(gè)典型的10x探頭裝有一個(gè)內(nèi)部9MΩ電阻器，當(dāng)與1MΩ輸入阻抗的示波器連接使用時(shí)，會(huì)在示波器的輸入通道上產(chǎn)生10：1的衰減比。 這意味著示波器上顯示的信號(hào)將是實(shí)際測(cè)量信號(hào)幅度的1/10，所以我們往往還需要去示波器的通道設(shè)置里將衰減比也調(diào)成10X。

此衰減功能使得我們可以測(cè)量超出示波器電壓限制范圍的信號(hào)。而且衰減電路會(huì)導(dǎo)致較高的電阻（通常是一件好事）和較低的電容，這對(duì)于高頻測(cè)量很重要。

10X無源探頭原理圖

有源探頭

由于有源探頭里包含了類似晶體管和放大器的有源部件，需要供電支持，因此稱作有源探頭。最常見的情況下，有源設(shè)備是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管（PET），它提供了非常低的輸入電容，低電容會(huì)在更寬的頻段上導(dǎo)致高輸入阻抗。有源FET探頭的規(guī)定帶寬一般在500MHz ～4GHz之間。除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻抗未知的測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，而產(chǎn)生負(fù)荷效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)要低得多。另外，由于低電容降低了地線影響，可以使用更長(zhǎng)的地線。有源FET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動(dòng)態(tài)范圍一般在±0.6V到±10V之間。

有源探頭

差分探頭

差分探頭測(cè)量的是差分信號(hào)。差分信號(hào)是互相參考，而不是參考接地的信號(hào)。差分探頭可測(cè)量浮置器件的信號(hào)，實(shí)質(zhì)上它是兩個(gè)對(duì)稱的電壓探頭組成，分別對(duì)地段有良好絕緣和較高阻抗。差分探頭可以在更寬的頻率范圍內(nèi)提供很高的共模抑制比（CMRR）。 差分信號(hào)和普通的單端信號(hào)走線相比，最明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1. 抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被最大程度抵消。
2. 能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。
3. 時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的LVDS就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。

差分放大原理是指一對(duì)信號(hào)同時(shí)輸入到放大電路中，然后相減，得到原始信號(hào)。差分放大器是由兩個(gè)參數(shù)特性相同的晶體管用直接耦合方式構(gòu)成的放大器。若兩個(gè)輸入端上分別輸入大小相同且相位相同的信號(hào)時(shí)，輸出為零，從而克服零點(diǎn)漂移。

差分探頭原理圖

電流探頭

也許你會(huì)想，用電壓探頭測(cè)得電壓值，除以被測(cè)阻抗值，很容易就可以獲得電流值，為啥要專門搞個(gè)電流探頭來測(cè)？因?yàn)閷?shí)際上，這種測(cè)量引入的誤差非常之大，我們一般不采用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測(cè)得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號(hào)電流磁通經(jīng)互感變壓器變換成電壓，再由探頭內(nèi)的放大器放大后送到示波器。電流探頭基本上又分成兩類， 交流電流探頭和交直流電流探頭，交流電流探頭通常是無源探頭，無需外接供電，而交直流電流探頭通常是有源探頭。傳統(tǒng)電流探頭只能測(cè)量交流交流信號(hào)，因?yàn)榉€(wěn)定的直流電流不能在互感器中感應(yīng)電流。交流電流在互感器中，隨著電流方向的變化，產(chǎn)生電場(chǎng)的變化，并感應(yīng)出電壓。然而，利用霍爾效應(yīng)，電流偏流的半導(dǎo)體設(shè)備將產(chǎn)生與直流電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電壓。所以，直流電流探頭是一種有源設(shè)備，需要外接供電。

交直流電流探頭

最后我們來看幾點(diǎn)和探頭有關(guān)的建議:

1. 對(duì)探頭進(jìn)行正確的補(bǔ)償：不同的示波器輸入電容可能不同，甚至同一臺(tái)示波器不同通道也會(huì)有略微差別。為了解決這個(gè)問題，學(xué)會(huì)給探頭補(bǔ)償調(diào)節(jié)是工程師應(yīng)該掌握的最基本的技能。
2. 探頭與被測(cè)電路連接時(shí)，探頭的接地端務(wù)必與被測(cè)電路的地線相聯(lián)。否則在懸浮狀態(tài)下，示波器與其他設(shè)備或大地間的電位差可能導(dǎo)致觸電或損壞示波器、探頭或其他設(shè)備。
3. 盡量將探頭的接地導(dǎo)線與被測(cè)點(diǎn)的位置鄰近。接地導(dǎo)線過長(zhǎng)，可能會(huì)引起振鈴或過沖等波形失真
4. 對(duì)于兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)都不處于接地電位時(shí)，要進(jìn)行“浮動(dòng)”測(cè)量，也稱差分測(cè)量，要使用專業(yè)的差分探頭。

探頭對(duì)示波器的測(cè)量至關(guān)重要，首先要求探頭對(duì)探測(cè)的電路影響必須達(dá)到最小，并希望對(duì)測(cè)量值保持足夠的信號(hào)保真度。如果探頭以任何方式改變信號(hào)或改變電路運(yùn)行方式，示波器看到實(shí)際信號(hào)會(huì)失真比較嚴(yán)重，進(jìn)而可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的或者誤導(dǎo)性的測(cè)量結(jié)果。通過以上介紹得出，探頭的選購(gòu)和正確使用有許多值得我們注意的地方。