示波器探头有哪些类型？对测量有什么影响？

李淑华

2019-8-12 15:39:54

对于示波器来说，其输入接口一般是BNC或者3.5mm等同轴接口。如果被测件的输出使用的是类似的同轴接口连接器，可以通过电缆直接连接示波器；而如果要测试的是PCB板上的信号，或者被测信号使用的不是同轴的连接器，就需要用到相应的示波器探头。
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。下图是各种各样的示波器探头。

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。下图是一个例子，通常的500MHz的无源探头本身的上升时间大约为700ps，通过这个探头来测试一个530ps上升时间的信号，即使不考虑示波器带宽的影响，经过探头后信号的上升时间已经变成了860ps。因此，探头对于测量的影响是不能忽略不计的。

对于高斯频响的示波器和探头来说，探头和示波器组成的测量系统的带宽通常可以用以下公式计算：

而对于平坦响应的的示波器和探头来说，其组成的测量系统的带宽取决于带宽最小的那部分。由此可见，探头以及连接方式对于测试系统的影响是很大的。
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。我们回顾一下示波器的发展历史，很多当时高带宽的实时示波器刚出现时是没有相应带宽的探头的，通常要迟一段时间相应带宽的探头才会推出。
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：探头对被测威廉希尔官方网站的影响以及探头本身造成的信号失真。理想的探头应该是对被测威廉希尔官方网站没有任何影响，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的输入威廉希尔官方网站简单等效为如下图所示的R、L、C的模型（实际上的模型比这个要负责得多），测试时需要把这个模型和我们的被测威廉希尔官方网站放在一起分析。

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威廉希尔官方网站的影响，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，所以就会和被测威廉希尔官方网站产生分压，造成实际测到的电压可能不是探头真实的电压，这种情况在一些电源或放大器威廉希尔官方网站的测试中会经常遇到。为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求探头的输入电阻要大于源阻抗以及负载阻抗至少10倍以上。大部分探头的输入阻抗在几十k欧姆到几十M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。理想情况下探头的寄生电容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。由于寄生的电容的存在，探头的输入阻抗（注意，不是直流输入电阻）随着频率会下降，从而影响探头的带宽。
下图是两种常用探头的输入阻抗随频率变化的曲线，两种探头的输入阻抗在直流情况下都是高阻的：最普遍使用的500MHz带宽的高阻无源探头在直流情况下可以有10MΩ的输入阻抗，另一款2GHz带宽的单端有源探头的输入阻抗在直流情况下是1MΩ。但是由于左边的高阻无源探头有更大的寄生电容，因此随着频率的增加，其输入阻抗随频率增加下降得更快，当频率到70MHz时，其输入阻抗已经远远小于寄生电容更小的有源探头。因此，输入寄生电容对于探头带宽的影响是非常大的。

对于示波器来说，其输入接口一般是BNC或者3.5mm等同轴接口。如果被测件的输出使用的是类似的同轴接口连接器，可以通过电缆直接连接示波器；而如果要测试的是PCB板上的信号，或者被测信号使用的不是同轴的连接器，就需要用到相应的示波器探头。
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。下图是各种各样的示波器探头。

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。下图是一个例子，通常的500MHz的无源探头本身的上升时间大约为700ps，通过这个探头来测试一个530ps上升时间的信号，即使不考虑示波器带宽的影响，经过探头后信号的上升时间已经变成了860ps。因此，探头对于测量的影响是不能忽略不计的。

对于高斯频响的示波器和探头来说，探头和示波器组成的测量系统的带宽通常可以用以下公式计算：

而对于平坦响应的的示波器和探头来说，其组成的测量系统的带宽取决于带宽最小的那部分。由此可见，探头以及连接方式对于测试系统的影响是很大的。
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。我们回顾一下示波器的发展历史，很多当时高带宽的实时示波器刚出现时是没有相应带宽的探头的，通常要迟一段时间相应带宽的探头才会推出。
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：探头对被测威廉希尔官方网站的影响以及探头本身造成的信号失真。理想的探头应该是对被测威廉希尔官方网站没有任何影响，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的输入威廉希尔官方网站简单等效为如下图所示的R、L、C的模型（实际上的模型比这个要负责得多），测试时需要把这个模型和我们的被测威廉希尔官方网站放在一起分析。

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威廉希尔官方网站的影响，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，所以就会和被测威廉希尔官方网站产生分压，造成实际测到的电压可能不是探头真实的电压，这种情况在一些电源或放大器威廉希尔官方网站的测试中会经常遇到。为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求探头的输入电阻要大于源阻抗以及负载阻抗至少10倍以上。大部分探头的输入阻抗在几十k欧姆到几十M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。理想情况下探头的寄生电容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。由于寄生的电容的存在，探头的输入阻抗（注意，不是直流输入电阻）随着频率会下降，从而影响探头的带宽。
下图是两种常用探头的输入阻抗随频率变化的曲线，两种探头的输入阻抗在直流情况下都是高阻的：最普遍使用的500MHz带宽的高阻无源探头在直流情况下可以有10MΩ的输入阻抗，另一款2GHz带宽的单端有源探头的输入阻抗在直流情况下是1MΩ。但是由于左边的高阻无源探头有更大的寄生电容，因此随着频率的增加，其输入阻抗随频率增加下降得更快，当频率到70MHz时，其输入阻抗已经远远小于寄生电容更小的有源探头。因此，输入寄生电容对于探头带宽的影响是非常大的。

曲芳

2019-8-12 15:39:56

再其次，探头输入的信号还会受到寄生电感的影响。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，探头和被测威廉希尔官方网站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。示波器探头常用的地线通常1mm探头的长度会有大约1nH的电感，信号和地线越长，电感值越大。如下图所示，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，谐振频率很低，很容易在输入信号的激励下产生高频谐振，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。

在了解探头的结构之前，我们还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，示波器的输入接口威廉希尔官方网站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（有些高带宽的示波器会采用一些特殊设计的接口，比如2.92mm或1.85mm的同轴接口）。如下图所示，很多通用的示波器在输入端有1M欧姆或50欧姆可切换的匹配电阻。示波器的探头种类很多，但是示波器的的匹配只有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，为了对被测威廉希尔官方网站影响小，示波器可以采用1M欧姆的高输入阻抗，但是由于高阻抗威廉希尔官方网站的带宽对寄生电容的影响很敏感。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～几GHz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；几GHz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。
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（前提是电缆的质量不要太差），但是使用测试电缆连接时需要在被测威廉希尔官方网站上也有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，很多时候还是需要专门的探头。下图是示波器里常用的一些探头的分类。

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。

再其次，探头输入的信号还会受到寄生电感的影响。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，探头和被测威廉希尔官方网站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。示波器探头常用的地线通常1mm探头的长度会有大约1nH的电感，信号和地线越长，电感值越大。如下图所示，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，谐振频率很低，很容易在输入信号的激励下产生高频谐振，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。

在了解探头的结构之前，我们还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，示波器的输入接口威廉希尔官方网站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（有些高带宽的示波器会采用一些特殊设计的接口，比如2.92mm或1.85mm的同轴接口）。如下图所示，很多通用的示波器在输入端有1M欧姆或50欧姆可切换的匹配电阻。示波器的探头种类很多，但是示波器的的匹配只有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，为了对被测威廉希尔官方网站影响小，示波器可以采用1M欧姆的高输入阻抗，但是由于高阻抗威廉希尔官方网站的带宽对寄生电容的影响很敏感。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～几GHz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；几GHz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。
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（前提是电缆的质量不要太差），但是使用测试电缆连接时需要在被测威廉希尔官方网站上也有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，很多时候还是需要专门的探头。下图是示波器里常用的一些探头的分类。

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。

李思昊

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李淑华

曲芳

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