示波器探头基础入门指南(上)
示波器探头是示波器使用过程中不可或缺的一部分，它主要是作为承载信号传输的链路，将待测信号完整可靠的传输至示波器，以进一步进行测量分析。很多工程师很看重示波器的选择，却容易忽略对示波器探头的甄别。试想如果信号经过前端探头就已经失真，那再完美的示波器所测得的数据也会有误。所以正确了解探头性能，有效规避探头使用误区对我们日常使用示波器来说至关重要！
在绝大多数示波器测量环境下，我们都需要使用探头。示波器探头有很多种，内部原理构造迥异，使用方法也各不相同。本文主要给大家介绍示波器探头的种类及工作原理，探头使用过程注意事项以及如何选择示波器探头。
1 示波器探头种类及工作原理
对于DC直流或一般低频信号而言，示波器探头只是一个由特定阻抗R所形成的一段传输线缆。而随着待测信号频率的增加和不规则性，示波器探头在测量过程中会引入寄生电容C以及电感L，寄生电容会衰减信号的高频成分，使信号的上升沿变缓。寄生电感则会与寄生电容一起构成谐振回路，使信号产生谐振现象。所有这些都会对我们测量信号的准确性带来挑战。
图1 探头电气特性示意图
示波器探头按供电方式分可分为无源探头和有源探头。无源探头又分为无源低压、无源高压及低阻传输线探头等，有源探头又分为有源单端、有源差分、高压差分探头等。此外，在一些特殊应用下，还会使用到电流探头（AC、DC）、近场探头、逻辑探头以及各类传感器（光、温度、振动）探头等。
无源探头是最常用的一类电压探头，也是我们在购买示波器时标配赠送的探头。如图2所示。
图2 无源探头示意图
无源探头一般使用通用型BNC接口与示波器相连，所以大多数厂家的无源探头可以在不同品牌的示波器上通用（某些厂家特殊接口标准的探头除外），但由于示波器一般无法自动识别其他品牌的探头类型，所以此时需要手动在示波器上设置探头衰减比，以保证示波器在测量时正确补偿探头带来的信号衰减。
图3所示为日常最为常见的一类无源探头原理示意图，它由输入阻抗Rprobe、寄生电容Cprobe、传输导线（一般1至1.5米左右）、可调补偿电容Ccomp组成。此类无源探头一般输入阻抗为10M?，衰减比因子为10：1。
图3无源探头原理图
在使用此类探头时，示波器的输入阻抗会自动设置为高阻1M?。此时示波器BNC通道输入点的电压Vscope与探头前端所探测的电压值Vprobe的关系满足以下对应关系：Vprobe/Vscope = (9M?+ 1M?) / 1M?= 10 : 1
由关系式可知，示波器得到的电压是探头探测到电压的十分之一，这也是无源探头10：1衰减因子的由来。无源探头具备高阻抗10M?，因此它对待测电路的负载效应（将在第
二部分详述）很小，能覆盖一般低频频段（500MHz以内），耐压能力强（300V-
400Vrms），价格便宜，通用性好，所以得到广泛使用。
当无源探头的衰减因子为100：1、1000：1甚至更高时，此类探头一般归类为无源高压探头。由于其衰减比很大，因此能测量高压、超高压电信号。
图4 R&S RT-ZH10高压探头
还有一类无源探头，其衰减比为1：1，信号未经衰减直接经过探头传输至示波器，其耐压能力不及其它无源探头，但它具备测试小信号的优势。由于不像10：1 衰减比探头那样信号需要示波器再放大10倍显示，所以示波器内部噪声未放大，测量噪声更小，此类更适用于测试小信号或电源纹波噪声。
图5 R&S HZ-154 1:1/10:1可调衰减比无源探头
无源传输线探头是另一类特殊的无源探头，其特点是输入阻抗相对较低，一般为几百欧姆，支持带宽更高，可达数GHz以上。图6为输入阻抗为500?的10：1无源传输线探头原理图：
图6传输线探头原理图
传输线探头具备低寄生电容，低输入阻抗的特性，一般用来测量高频信号。在使用传输线探头时应该注意将示波器输入阻抗设置为50?，以与传输线50?阻抗相匹配，传输线探头的典型应用为测量50?传输线上的电信号，通过SMA-N等不同的转换接头，传输线探头也可用在频谱分析仪等其它测试设备上。
图7传输线探头的典型应用
需要注意的是，由于传输线探头的低阻抗，它的负载效应会比较明显。因此，此类探头仅适用于与低输出阻抗（几十至100欧姆）的电路测试。对于更高输出阻抗的电路，我们可以选择使用高阻有源探头的方案，将在后续详述。
图8 R&S RT-ZZ80 8.0GHz无源传输线探头
介绍完无源探头，我们接下来看看有源探头。顾名思义，有源探头区别于无源探头最大的特点是“有源”，即它需要提供电源才能工作。如今大多数有源探头都配备有特殊借口，
通过与示波器连接从示波器获得电源，而不需要额外提供外置电源（某些型号除外）。下图所示为有源单端探头原理图：
图9 有源单端探头原理图
有源单端探头一般具备高阻抗（1M?上下），低寄生电容。其前端有一个高带宽的放大器，有源探头的供电主要用于此放大器。放大器驱动信号经过50?传输线到达示波器，示波器的输入阻抗需选择为50?作匹配。由于其较低的寄生电容和50欧姆传输，有源单端探头可以提供比无源探头更高的带宽，因此主要应用在高频信号的测量领域。
优点和缺点往往是并存的，有源单端探头亦是如此。能够测量更高带宽的信号是其优点，但由于需要集成有源放大器，因而其成本相对于无源探头来说更高，一个几GHz带宽的有源单端探头价格可达数万人民币。除此之外，由于高带宽放大器的信号输入范围十分有限，因而其动态范围有限，一般有源单端探头的动态范围仅在几伏范围之内，探头所能承受的最大电压也只有几十伏。
相对于前面所说的无源传输线探头，有源单端探头同样可以应用在低阻抗高频率信号的测量环境，且由于其输入阻抗相对于无源传输线探头更高，因此它的负载效应更小。不仅如
此，R&S有源单端探头还可以与RT-ZA9（N型转换接头，USB供电）附件连接，进而用在射频信号源和频谱分析仪上，用来测试特殊环境下的信号，如传统50欧姆同轴线缆无法连接的探测点处，或者需要使用高阻探头探测待测点信号频谱时。
图10 R&S RT-ZS系列单端有源探头与RT-ZA9 N型转换头相连
除了有源单端探头之外，有源差分探头是另外一类重要的有源探头。我们可以从字面上来理解这两种探头的区别，有源单端的前端有两处连接点：信号点和地。有源差分顾名思义主要用来测试差分信号，探头前端有三处连接点：信号正、信号负、地。
图11 有源单端探头前端（左）与有源差分探头前端（右）
有源差分探头的原理图如下：
图12有源差分探头原理图
与有源单端探头相比，其最大不同在于使用了差分放大器。有源差分探头同样具备低寄生电容和高带宽特性，所不同的是，有源差分探头具有高共模抑制比（CMRR），对共模噪声的抑制能力比较强。有源差分探头主要用来测试差分信号，即测试两路信号（一般为相位相差180度的正反信号）的相对电压差，与地无关。
图13差分信号测试原理示意图
上图显示了用有源差分探头测试差分信号的原理，图中红色波形显示的为差分信号Vin+，蓝色波形显示为差分信号Vin-，二者幅度相同，相位相差180 度。Vin+和Vin-经由差分探头正、负探测点探测后经过差分放大器放大，然后传输至示波器，最后得到如图绿色差分波形。
这里要介绍几个概念，以便大家能够更好的理解共模抑制比CMRR。
共模（Common Mode）：差分信号两端具有相同幅度和相位的信号成分，用表达式表示为Vcm =（Vin+ + Vin-）/2.
由于理想的Vin+、Vin-幅度相同，相位相反，所以二者相加应该为零。但在实际工作环境下，Vin+、Vin-上会叠加上噪声干扰Vnoise。由于Vin+、Vin-所处环境相同，因而在二者上叠加的噪声也往往相同，所以由CM表达式可知：CM = Vnoise.
差模（Differential Mode）：差分信号两端不同的信号成分，用表达式表示为Vdm = Vin+ - Vin-.
共模抑制（Common Mode Rejection）：差分放大器对共模信号的抑制能力，即差分放大器的一项主要能力是对Vnoise进行抑制消除。如果共模电压Vcm经过差分放大器的增益为Acm，差模电压Vdm经过差分放大器的增益为Adm，则我们可以用共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio）即CMRR来表示共模抑制能力，其表达式为：CMRR = Adm / Acm
举例如下图：差模信号Vdm幅度为1V，经过差分放大器后幅度为2V，即Adm = 2. 共模信号Vcm幅度为4.5V，经过差分放大器后幅度抑制为0.45V，即Acm=0.1. 因此，CMRR = 2 / 0.1 = 20：1 = 26dB。
图14 差分信号测试举例
对于理想的差分放大器而言，我们希望其完全抑制共模信号，从而消除噪声Vnoise对差分信号测量的影响。对于一般的差分信号测量而言，20dB的CMRR已经足够，而R&S RT-ZD40的CMRR可达50dB，性能非常优异。
图15 R&S RT-ZD40有源差分探头
值得一提的是，R&S的有源单端探头和有源差分探头上都配备了MicroButton多功能按钮和ProbeMeter探头计功能。其中，MicroButton是位于有源探头前段的一个微型按钮，用户可以在测试时很方便的按动按钮，从而执行对示波器的特定控制（可自定义），如：自动设置、默认设置、单次运行、连续运行等。
图16 MicroButton多功能按钮
ProbeMeter则是集成在有源探头前端的16位DC电压计，可用来直接在探头点处测试直流电压，这与其他厂家使用探头捕获波形然后输送到示波器，进而对波形进行测量得到
DC数值的方案完全不同。很显然，ProbeMeter摒除了探头传输的失真影响，从而具备了0.1%的高精准度。在使用差分探头时，可以借助此功能方便快捷查看单端、共模、差模电压数值。
图17 ProbeMeter探头电压计
有源差分探头可用于绝大多数较小幅度差分信号的测量，但对于幅度达上百甚至上千幅的高压差分信号而言，有源查分探头就显得力不从心了。此时我们只能借助于高压差分探头的帮忙，相对于一般差分探头而言，高压差分探头具有更高的动态范围，能够承受更高的电压。
图18 R&S RT-ZD01 ±1400V 高压差分探头
高压差分探头相对于无源高压探头而言价格昂贵，因此有用户在测试高压差分信号时会选择将示波器的电源接地线剪断，使示波器“浮起来”进行测试，这是非常危险的，一定要杜绝此类行为。我们将在第二部分详细说明。
电流探头严格意义上说也属于有源探头的一种，几乎所有的电流探头在使用过程中都需要供电。电流探头主要分为三类：AC（仅能测试交流电）、DC（仅能测试直流电）、
AC+DC。而目前大多数电流探头都具备了AC+DC的测量功能。
电流探头的原理如下，主要是利用电磁效应（AC测量）和霍尔效应（DC测量）。
图19 AC+DC电流探头原理图
当有AC电流经过导线穿过电流探头的前段闭合钳口时，会有相应磁场产生，通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。探头就象一个电流变压器，系统直接测量的是感应电流。
如果是DC或者低频电流，当电流钳闭合后，电流导线附近会出现一个磁场。磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电压。系统根据这个电压产生一个反相（补偿）电流至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，防止磁饱和。系统根据反相电流测得实际得电流值。
电流探头的选择主要依据其测量带宽、量程以及钳口直径等。
MSO数字逻辑探头在数字逻辑测试中会经常使用，与一般8bit模拟探头相比，数字逻辑探头根据示波器所设置的判决门线电平，将捕获的电压按照0、1跳变（1bit）的数字信号在屏幕上显示出来。用户可以根据多路数字信号的逻辑电平及关系来判断逻辑电路的性
能。
图20 R&S RTO-B1数字逻辑探头
EMI近场探头是另一类特殊的探头类型，它实际使用了天线接收原理，用来捕获电路板上空间辐射的电磁场干扰，特别是在系统集成中做EMI电磁干扰的诊断。
图21 EMI近场探头示意图
除了以上给大家介绍的各种探头之外，还有光探头、温度传感探头及其他各类传感探头等。原则上来说，任何一款能够将各物理量转换成电压信号并具备与示波器互连能力的传感器都可以作为示波器探头，用户可以根据具体使用环境和需求选择适合的探头类型。示波器探头基础入门指南(下)
2 示波器探头的主要指标
2.1 带宽
与示波器一样，示波器探头的频响类似一个低通响应。探头的带宽是指探头响应输出幅度下降到70.7%（-3dB）时对应的输入信号频率。
图1探头频响及带宽定义
当示波器配合探头使用时，示波器+探头就构成了一套测量系统，此测量系统的带宽满足以下公式：
可见，探头带宽越高，对示波器带宽的影响也就越小。一般我们推荐示波器探头的带宽为示波器带宽的1.5倍，即探头带宽略高于示波器带宽。
2.2 上升时间
探头的上升时间是指探头对阶跃函数10%-90%的响应时间。一般而言，探头带宽越高，上升时间越短。
与示波器一样，大多数探头的带宽与上升时间满足0.35公式，即：
T rise = 0.35/BW probe
示波器+探头测量系统的上升时间则满足以下公式：
2.3 输入阻抗
探头一般都标注了输入阻抗值，从50?至10M?甚至更高。探头的输入阻抗会严重影响探头的负载效应（将在第三节中详述）。输入阻抗越大，探头的负载效应越小，对待测电路正常工作影响也就越小。输入阻抗越小，探头的负载效应越大，对待测电路正常工作的影响就越大。
2.4 输入电容
输入电容是有源探头的一项关键指标。有源探头的输入电容一般很小，小至pF甚至零点几pF。小的电容会在高的频带上提供较大的输入阻抗，从而减小负载效应。由输入电容导致的输入阻抗公式如下：
R in = 1/2πfC in
由以上公式可知，Cin越小，探头可以支持更高的带宽f，这也是为什么有源探头相对于无源探头而言可以提供更大的带宽的原因。
2.5 衰减比
一般探头都会对探测到的信号进行衰减，然后输送至示波器。最常见的衰减比为10：1，即信号衰减为原始的十分之一，此时衰减比标注为10X。此外，常见的还有1X、100X、1000X探头等。
2.6 最大输入范围
探头都有最大输入范围，超过一定输入范围则可能损坏探头。
3 示波器探头使用注意事项
3.1 负载效应
探头的负载效应是指被测电路接上探头后，探头与示波器一起组成了待测电路的并联负载，从而吸引一部分电流流入示波器，对原始待测电路上的信号产品影响。如果负载效应很大，则测到的波形与原始波形变化很大，示波器就不能准确测量波形。
示波器探头基础知识 示波器探头原理---示波器探头工作原理 示波器探头不仅仅是把测试信号判定以示波器输入端的一段导线，而且是测量系统的重要组成部分。探头有很多种类型号各有其特性，以适应各种不同的专门工作的需要，其中一类称为有源探头，探头内包含有源电子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件如电阻和电容。这种探头通常对输入信号进行衰减。 我们将首先集中讨论通用无源探头，说明共主要技术指标以及探头对被测电路和被测信号的影响，接着简单介绍几种专用探头及其附近。 屏蔽 示波器探头的一个重要任务是确保只有希望观测的信号才在示波器上出现，如果我们仅仅使用一普通导线来代替探头，那么它的作用就好象是一根天线，可以从无线电台、荧光灯，电机、50或60Hz的电源的交流声甚至当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号，这类噪声甚至还能注入到被测电路中去所以我们首先需要的是屏蔽的电缆，示波器探头的屏蔽电缆通过探头尖端的接地线和被测电路连接，从而保证了很好的屏蔽。 一．探头构造图：
4. 一个探头，就算它只是简单的一条电线，它也可能是一个很复杂的电路。a）对于DC 信号( 0 Hz 频率)，探头作为一对导线与一系列电阻，就向一个终端电阻一样。 b) AC 信号的特性变化是因为：电线具有分布电感(L)，电线具有分布电容(C)。分布电感反作用于AC信号，在信号频率增加时，阻止AC信号通过。分布电容反作用于AC信号，在信号频率增加时，减小 AC信号电流通过的阻抗。这些反作用元件(L 和 C )的交互作用，与电阻元件(R)一起，成为随信号频率不同而变化的探头阻抗。
数字示波器基础知识 耦合 耦合控制机构决定输入信号从示波器前面板上的BNC输入端通到该通道垂直偏转系统其它部分的方式。耦合控制可以有两种设置方式，即DC耦合和AC耦合。 DC耦合方式为信号提供直接的连接通路。因此信号提供直接的连接通路。因此信号的所有分量（AC 和：DC）都会影响示波器的波形显示。 AC耦合方式则在BDC端和衰减器之间串联一个电容。这样，信号的DC分量就被阻断，而信号的低频AC分量也将受阻或大为衰减。示波器的低频截止频率就是示波器显示的信号幅度仅为其直实幅度为71％时的信号频率。示波器的低频截止频率主要决定于其输入耦合电容的数值。 和耦合控制机构有关的另一个功能是输入接地功能。这时，输入信号和衰减器断开并将衰减器输入端连至示波器的地电平。当选择接地时，在屏幕上将会看到一条位于0V电平的直线。这时可以使用位置控制机构来调节这个参考电平或扫描基线的位置。 输入阻抗 多数示波器的输入阻抗为1MΩ和大约25pF相关联。这足以满足多数应用场合的要求，因为它对多数电路的负载效应极小。 有些信号来自50Ω输出阻抗的源。为了准确的测量这些信号并避免发生失真，必须对这些信号进行正确的传送和端接。这时应当使用50Ω特性阻抗的电缆并用50Ω的负载进行端接。某些示波器，如PM3094和PM3394A，内部装有一个50Ω的负载，提供一种用户可选择的功能。为避免误操作，选择此功能时需经再次确认。由于同样的理由，50Ω输入阻抗功能不能和某些探头配合使用。 相加和反向 简单的把两个信号相加起来似乎没有什么实际意义。然百，把两个有关信号之一反向，再将二者相加，实际上就实现了两个信号的相减。这对于消除共模干扰（即交流声），或者进行差分测量都是非常有用的。 从一个系统的输出信号中减去输入信号，再进行适当的比例变换，就可以测出被测系统引起的失真。 由于很多电子系统本身就具有反向的特性，这样只要把示波器的两个输入信号相加就能实现我们所期望的信号相减。 带宽
示波器探头基础系列之一《示波器探头浅谈之无源探头》 作为一名专业的硬件设计及测试工程师，我们每天都在使用各种不同的数 字示波器进行相关电气信号量的量测。与这些示波器相配的探头种类也非常多，包括无源探头(包括高压探头，传输线探头)、有源探头（包括有源单端探头、 有源差分探头等），电流探头、光探头等。每种探头各有其优缺点，因而各有 其适用的场合。其中，有源探头因具有带宽高，输入电容小，地环路小等优点 从而被广泛使用在高速数字量测领域，但有源探头的价位高，动态范围小，静 电敏感，校准麻烦，因此，每个工程师使用示波器的入门级探头通常是无源探头。最常见的500Mhz 的无源电压探头适用于一般的电路测量和快速诊断，可 以满足大多数的低速数字信号、TV、电源和其它的一些典型的示波器应用。本文我们将集中讨论无源电压探头的模型和参数设定以及使用校准原理。一、10 倍无源探头的模型以及输入负载设定图1.探头原理图图1 是工程师常用的10 倍无源电压探头的原理图，其中，Rp (9 MΩ)和Cp 位于探头尖端内，Rp 为探头输入阻抗, Cp 为探头输入电容, R1 (1 MΩ)表示示波器的输入阻抗，C1 表示示波器的输入电容和同轴电缆等效电容以及探头补偿箱电容的组合值。为了精确地测量，两个RC 时间常量（RpCp 和R1C1）必须相等；任何不平衡都会带来测量波形的失真,从来引起使一些参数如上升时间、幅度的测量结果不准确。因此，在测量前需要校准示波器的探头的工作以保证测量结果的 准确性。从探头的信号模型我们可以分析，对于信号的DC 量测，输入容性Cp 和C1 等效为开路。信号通过Rp 和R1 进行分压，最终示波器的输入为：Vout=[R1/Rp+R1]*Vin=1/10* Vin 示波器输入信号衰减为待测输入信号的1/10。对于较高频率的输入信号,容抗对于信号的影响会大于阻抗。例如，一个
一文看懂示波器标配的探头 示波器标配探头看似简单，却是测量领域的高频问题，而网上的资料又太过零散。此次我们将有关示波器标配探头的内部培训资料公开到微信平台上，大家可以收藏日后自查。 本文所述主要针对100M带宽~500M带宽示波器标配的探头，受限于篇幅，本文内容不涉及有源探头。从问题的角度切入，简单回答一下工程师最常问到的一些问题。 1、不同品牌的探头可以互相用么？ 一般分专用接口和通用接口。如果是标准的BNC接口，并且带宽差别不大是可以的，但如果是专用接口（只要它在官网上的接口写的是乱七八糟的英文名字，则一般是专用接口），探头必须和示波器绑定，不同互相用的。 Tip：还是不建议买专用接口的探头，对于普通探头而言，一是没必要，因为本来就不需要供电；二是买以后更换示波器无形之中增加了替换成本（探头也要全换掉）。 2、同一品牌不同带宽的示波器探头可以互相用么？ 不能，不同示波器标配的探头即使外形相似，但是带宽可能不同，这也大大影响探头的性能和成本。高带宽示波器的探头在低带宽示波器上无法发挥价值，低带宽示波器的探头也无法充分发挥高带宽示波器的性能。 Tip：如ZDS2024Plus示波器标配的探头ZP1025Sa，其带宽最大为250M。而ZDS4054Plus 示波器标配的探头ZP1050，其带宽约为600M。如果使用ZP1025Sa连接500M带宽的示波器，则示波器的带宽只能在250M左右。所以，不要在淘宝上随便买一根就行哦，一定要留意探头参数。 以ZP1025Sa为例，其具体参数如下：
3、为什么有些示波器标配的探头档位可调，有什么分别？ 一般对于低带宽示波器（如200M带宽）来说标配探头档位可调，X1档和X10档主要有三个区别： 衰减区别：X1档位下信号不衰减，X10档位信号衰减为原来的1/10，因此此时需要在对应通道补偿衰减比例 带宽区别：X1档位由于没有电容补偿，带宽较小（10M左右），主要针对低频信号测量，而X10档位引入了电容补偿，带宽较大（大于200M） 耐压区别：X1档位最多耐压150VRMS，X10档位最多耐压300VRMS 4、如果示波器标配探头中没有可调档位，那么衰减比例是多少？ 一般来说默认X10档位衰减，具体可以留意探头底部的圆形标签，也可以查阅探头包装中的datasheet。 Tip：探头包装里面的datasheet还是很重要的，可以拍照之后留在手机/电脑里，很多同学收到货之后马上就扔了。 5、示波器标配探头什么时候要调节补偿电容呢？ 所有的示波器都会设置校准信号输出端子，用于调节补偿电容。如果需要精确测量示波器的幅值，电容是一定要补偿良好的。留意以下三种情况一般需要调节补偿： 1、新示波器刚刚开箱时一定要调； 2、非标配示波器探头混用时一定要调； 3、更 换通道时需要重新调。 6、如何进行补偿电容调节？ ◆首先将探头的信号输出端与接地端连接到示波器前面板的校准信号输出端和接地端。 ◆然后将探头衰减档位切换开关拨到×10档；调节示波器，使屏幕上显示2~3个信号周 期，并且使得信号幅值占据2至6格的垂直刻度。 ◆最后用随探头附带的调节棒调节低频补偿调节孔，直到方波顶部最平坦，此时的探头就 是经过低频补偿的。如下图所示。
信号源基础知识
信号源基础知识 1、认识函数信号发生器 信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。众所周知，数字合成式函数信号源无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟，其锁相环（ PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动(phase Jitter)及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但毕竟是数字式信号源，数字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器。 谈及模拟式函数信号源，结构图如下： 这是通用模拟式函数信号发生器的结构，是以三角波产生电路为基础经二极管所构成的正
弦波整型电路产生正弦波，同时经由比较器的比较产生方波。 而三角波是如何产生的，公式如下： 换句话说，如果以恒流源对电容充电，即可产生正斜率的斜波。同理，右以恒流源将储存在电容上的电荷放电即产生负斜率的斜波，电路结构如下： 当I1 =I2时，即可产生对称的三角波，如果I1 > >I2，此时即产生负斜率的锯齿波，同理I1 < < I2即产生正斜率锯齿波。 再如图二所示，开关SW1的选择即可让充电速度呈倍数改变，也就是改变信号的频率，这也就是信号源面板上频率档的选择开关。同样的同步地改变I1及I2，也可以改变频率，这也就是
信号源上调整频率的电位器，只不过需要简单地将原本是电压信号转成电流而已。 而在占空比调整上的设计有下列两种思路： 1、频率（周期）不变，脉宽改变，其方法如下： 改变电平的幅度，亦即改变方波产生电路比较器的参考幅度，即可达到改变脉宽而频率不变的特性，但其最主要的缺点是占空比一般无法调到20%以下，导致在采样电路实验时，对瞬时信号所采集出来的信号有所变动，如果要将此信号用来作模数（A/D)转换，那么得到的数字信号就发生变动而无所适从。但不容否认的在使用上比较好调。 2、占空比变，频率跟着改变，其方法如下：
课题研究报告 示波器探头补偿 学院：信息工程学院班级：电子 10-1 班姓名：学号：201010203008 201010203009 201010203012 完成时间：2011年12月26日
示波器探头补偿 ——讨论探头中串联的RC并联电路参数对测量结果的影响 课题背景 示波器探头不仅仅是把待测信号引入示波器输入端的一端导线，而且是测量系统的的重要组成部分。探头有很多种类型，以适应各种不同的专门工作需要。其中一类为有源探头，探头内包含有源电子元件，具有放大能力；不含有源原件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件如电阻和电容。这种探头通常对输入信号进行衰减。为了有效抑制外界干扰信号，示波器探头通过屏蔽电缆与示波器输入连接，如图所示 当被测信号频率很高时，上图中与探头相连的屏蔽电缆的电容就不能忽略，探头的容性负载效应就非常明显，有可能导致探头在高频下无法使用。为此，可以在探头中增加一个和示波器输入端电路模型相串联的ＲＣ并联电路，以减小探头的容性负载效应，如下图所示，其中Ｃｉ为探头电缆的电容和示波器输入电路模型中电容合并后的等效电容。Rcmp和Ccmp分别为补偿电阻和补偿电容。
通过课题背景，我们知道在使用示波器时，当被测信号频率很高时，，探头的容性负载效应就会明显，导致探头在高频下无法使用。所以在探头中增加一个串联的ＲＣ并联电路，来减小探头的容性负载效应。 结合所学知识，电容具有通高频阻低频的性质，当低频信号通过时，电容对其阻碍作用非常明显，探头的负载主要是阻抗作用，所以容性负载效应不明显。当电路通有高频信号时，探头的负载主要是容抗作用，从而电路中容性负载效应很大，致使被测电路的信号发生变化，所以就不能准确地进行波形测量。为了减轻探头对被测电路的负载作用，应选择高阻抗、低容抗的探头。 当通有高频信号时，我们需要对其进行衰减，使得电路中容性负载效应减小，保证测量结果的准确性。 为此我们有了如下研究想法：示波器探头补偿电路可以简化为一个简单的RC串并联电路，用一标准示波器对电路信号进行检测，因为任何的不平衡将会带来波形的失真，通过改变ＲＣ电路的相关参数来观察波形的变化，从而来确定ＲＣ的哪些参数对测量结果的影响。再结合一阶电路时域分析中电路的零状态响应和全响应方面的知识，进行理论上的具体分析。
示波器探头基础系列之差分探头 引言 作为一名专业的硬件设计及测试工程师，我们每天都在使用各种不同的数字示波器进行相关电气信号量的量测。与这些示波器相配的探头种类也非常多，包括无源探头（包括高压探头，传输线探头）、有源探头（包括有源单端探头、有源差分探头等），电流探头、光探头等。每种探头各有其优缺点，因而各有其适用的场合。其中，有源探头因具有带宽高，输入电容小，地环路小等优点从而被广泛使用在高速数字量测领域，但有源探头的价位高，动态范围小，静电敏感，校准麻烦，因此，每个工程师使用示波器的入门级探头通常是无源探头。最常见的500Mhz的无源电压探头适用于一般的电路测量和快速诊断，可以满足大多数的低速数字信号、TV、电源和其它的一些典型的示波器应用。 1、差分测量特点 探头从总体上可分为无源探头和有源探头两大类型，而宽带宽示波器和有源探头的用户还需要在单端探头和差分探头之间还要做出选择。承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。本文主要讲的是分差探头。差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面： 1.抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被最大程度抵消。 2.能有效抑制EMI，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。 3.时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS就是指这种小振幅差分信号技术。
示波器探头基础系列之五 ——示波器探头使用指南 美国力科公司 概述： 本文旨在帮助读者对常用的示波器探头建立一个基本认识。此外，我们通过一系列的例子说明探头的不正确使用如何影响测量的结果。 理解探测问题 注意!连接示波器和待测物会给被测波形带来失真。 示波器上应该贴上上面类似的警告标签吗？或许是的。示波器同其它测量仪器一样，受制于各种测量问题——显然，示波器和待测物的连接会影响到测量，使用者理解这样的影响是非常重要的。随着示波器技术的发展，连接示波器和待测物的工具和技术已经变得非常成熟。 早期的示波器，测量带宽只有几百KHz数量级，常使用电缆连接电路。现代示波器使用各种连接技术以最小化测量误差。使用者应该熟悉示波器本身以及示波器连接电路的各种方法的特性和限制。 考虑示波器连接待测电路的方式如何影响测量，待测电路可以等效为包含内置电阻和电容的戴维宁等效电压源。同样，示波器输入电路和连接部分可以被等效为负载电阻和旁路电容。该模型如图1所示。当示波器连接信号源时，示波器的负载效应会减小测量到的电压。低频的损耗取决于电阻比率Rs和Ro。对于高频时的损耗，Cs和Co成了主要因素。另外一个影响是系统带宽由于示波器的容性负载而变小，这也会影响到动态时间量的测量，如脉冲上升时间Risetime。 图1 包括信号源和示波器的简单测量模型 示波器的设计者需要从两个方面入手来减少负载效应的影响: a．高阻探头，利用有源和无源电路来减少负载效应，这些电路包括补偿衰减器或者低容值场效应晶体管缓冲放大器。 b．对于高频应用的直接连接，示波器的输入电路采用50ohm的内部端接。在这些场合，示波器输入电路被设计成常数的50ohm负载阻抗。低电容的探头被设计为50ohm端接来减少负载效应。 如何选择合适的探头 通常，探头可以被分成三大类。1、无源高阻探头；2、无源低阻探头；3、有源探头。
示波器基础（一）——示波器基础知识之一1．1 说明和功能 我们可以把示波器简单地看成是具有图形显示的电压表。 普通的电压表是在其度盘上移动的指针或者数字显示来给出信号电压的测量读数。而示波器则与共不同。示波器具有屏幕，它能在屏幕上以图形的方式显示信号电压随时间的变化，即波形。 示波器和电压表之间的主要区别是： 1.电压表可以给出祥测信号的数值，这通常是有效值即RMS值。但是电压表不能给出有关信号形状的信息。有的电压表也能测量信号的峰值电压和频率。然而，示波器则能以图形的方式显示信号随时间变化的历史情况。 2.电压表通常只能对一个信号进行测量，而示波器则能同时显示两个或多个信号。 显示系统 示波器的显示器件是阴极射线管，缩写为CRT，见图1。阴极射线管的基础是一个能产生电子的系统，称为电子枪。电子枪向屏幕发射电子。电子枪发射的电子经聚焦形成电子束，并打在屏幕中心的一点上。屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就发出光来。
图1 阴极射线管图 电子在从电子枪到屏幕的途中要经过偏转系统。在偏转系统上施加电压就可以使光点在屏幕上移动。偏转系统由水平（X）偏转板和垂直（Y）偏转板组成。这种偏转方式称为静电偏转。 在屏幕的内表面用刻划或腐蚀的方法作出许多水平和垂直的直线形成网络，称为标尺。标尺通常在垂直方向有8个，水平方向有10个，每个格为1cm。有的标尺线又进一步分成小格，并且还有标明0％和100％的特别线。这些特别的线和标明10％和90％的标尺配合使用以进行上升时间的测量。我们后面会讨论这个问题。 如上所述，受到电子轰击后，CRT上的荧光物质就会发光。当电子束移开后，荧光物质在一个短的时间内还会继续发光。这个时间称为余辉时间。余辉时间的长短随荧光物质的不同而变化。最常用的荧光物质是P31，其余辉时间小于一毫秒(ms).而荧光物质P7的余辉时间则较长，约为300ms，这对于观察较慢的信号非常有用。P31材料发射绿光，而P7材料发光的颜色为黄绿色。 将输入信号加到Y轴偏转板上，而示波器自己使电子束沿X轴方向扫描。这样就使得光点在屏幕上描绘出输入信号的波形。这样扫出的信号波形称为波形轨迹。 影响屏幕的控制机构有：
信号源基础知识 1、认识函数信号发生器 信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。众所周知，数字合成式函数信号源无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟，其锁相环（ PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动(phase Jitter)及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但毕竟是数字式信号源，数字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器。 谈及模拟式函数信号源，结构图如下： 这是通用模拟式函数信号发生器的结构，[是以三角波产生电路为基础经二极管所构成的正弦波整型电路产生正弦波，同时经由比较器的比较产生方波]。 而三角波是如何产生的，公式如下： 换句话说，如果以恒流源对电容充电，即可产生正斜率的斜波。同理，右以恒流源将储存在电容上的电荷放电即产生负斜率的斜波，电路结构如下： 当I1 =I2时，即可产生对称的三角波，如果I1 > >I2，此时即产生负斜率的锯齿波，同理I1 < < I2即产生正斜率锯齿波。 再如图二所示，开关SW1的选择即可让充电速度呈倍数改变，也就是改变信号的频率，这也就是信号源面板上频率档的选择开关。同样的同步地改变I1及I2，也可以改变频率，这也就是信号源上调整频率的电位器，只不过需要简单地将原本是电压信号转成电流而已。 而在占空比调整上的设计有下列两种思路：
1、频率（周期）不变，脉宽改变，其方法如下： [改变电平的幅度，亦即改变方波产生电路比较器的参考幅度，即可达到改变脉宽而频率不变的特性]，但其最主要的缺点是占空 比一般无法调到20%以下，导致在采样电路实验时，对瞬时信号所采集出来的信号有所变动，如果要将此信号用来作模数（A/D)转换，那么得到的数字信号就发生变动而无所适从。但不容否认的在使用上比较好调。 2、占空比变，频率跟着改变，其方法如下： 将方波产生电路比较器的参考幅度予以固定（正、负可利用电路予以切换），改变充放电斜率，即可达成。 这种方式的设计一般使用者的反应是“难调”，这是大缺点，但它可以产生10%以下的占空比却是在采样时的必备条件。 以上的两种占空比调整电路设计思路，各有优缺点，当然连带的也影响到是否能产生“像样的”锯齿波。 接下来PA（功率放大器）的设计。首先是利用运算放大器（OP) ，再利用推拉式(push-pull)放大器（注意交越失真Cross-distortion 的预防）将信号送到衰减网路，这部分牵涉到信号源输出信号的指标，包含信噪比、方波上升时间及信号源的频率响应，好的信号源当然是正弦波信噪比高、方波上升时间快、三角波线性度要好、同时伏频特性也要好，（也即频率上升，信号不能衰减或不能减太大），这部分电路较为复杂，尤其在高频时除利用电容作频率补偿外，也牵涉到PC板的布线方式，一不小心，极易引起振荡，想设计这部分电路，除原有的模拟理论基础外尚需具备实际的经验，“Try Error”的耐心是不可缺少的。 PA信号出来后，经过π型的电阻式衰减网路，分别衰减10倍（20dB)或100倍（40dB),此时一部基本的函数波形发生器即已完成。（注意：选用π型衰减网络而不是分压电路是要让输出阻抗保持一定）。 一台功能较强的函数波形发生器，还有扫频、VCG、TTL、 TRIG、 GATE及频率计等功能，其设计方式在此也顺便一提： 1. 扫频：一般分成线性（Lin)及对数（Log)扫频； 2. VCG：即一般的FM，输入一音频信号，即可与信号源本身的信号产生频率调制； 上述两项设计方式，第1项要先产生锯齿波及对数波信号，并与第2项的输入信号经过多路器（Multiplexer)选择，然后再经过电压对电流转换电路，同步地去加到图二中的I1、I2上； 但注意这样的TTL信号须再经过缓冲门（buffer)后才能输出，以增加扇出数（Fan Out)，通常有时还并联几个buffer。而TTL INV 则只要加个NOT Gate即可；
精心整理 ScopeArt先生”团队成员 示波器探头是示波器使用过程中不可或缺的一部分，它主要是作为承载信号传输的链路，将待测信号完整可靠的传输至示波器，以进一步进行测量分析。很多工程师很看重示波器的选择，却容易忽略对示波器探头的甄别。试想如果信号经过前端探头就已经失真，那再完美的示波器所测得的数据也会有误。所以正确了解探头性能，有效规避探头使用误区对我们日常使用示波器来说至关重要！ 1 对于DC L，寄图1 ?图2无源探头示意图
无源探头一般使用通用型BNC接口与示波器相连，所以大多数厂家的无源探头可以在不同品牌的示波器上通用（某些厂家特殊接口标准的探头除外），但由于示波器一般无法自动识别其他品牌的探头类型，所以此时需要手动在示波器上设置探头衰减比，以保证示波器在测量时正确补偿探头带来的信号衰减。 图3所示为日常最为常见的一类无源探头原理示意图，它由输入阻抗Rprobe、寄生电容Cprobe、传输导线（一般1至1.5米左右）、可调补偿电容Ccomp组成。此类无源探头一般输入阻抗为10M?，衰减比因子为10：1。 ?图3 Vscope 1衰减因 很小， ?图4R&SRT-ZH10高压探头
还有一类无源探头，其衰减比为1：1，信号未经衰减直接经过探头传输至示波器，其耐压能力不及其它无源探头，但它具备测试小信号的优势。由于不像10：1衰减比探头那样信号需要示波器再放大10倍显示，所以示波器内部噪声未放大，测量噪声更小，此类更适用于测试小信号或电源纹波噪声。 图5R&SHZ-1541:1/10:1可调衰减比无源探头 无源传输线探头是另一类特殊的无源探头，其特点是输入阻抗相对较低，一般为几百欧姆，支持图6 量50? ? 图 需要注意的是，由于传输线探头的低阻抗，它的负载效应会比较明显。因此，此类探头仅适用于与低输出阻抗（几十至100欧姆）的电路测试。对于更高输出阻抗的电路，我们可以选择使用高阻有源探头的方案，将在后续详述。 图8R&SRT-ZZ808.0GHz无源传输线探头 ??????
作者：聂文伟 Oscilloscope.China@https://www.doczj.com/doc/de12752049.html,，“ScopeArt先生”团队成员 示波器探头是示波器使用过程中不可或缺的一部分，它主要是作为承载信号传输的链路，将待测信号完整可靠的传输至示波器，以进一步进行测量分析。很多工程师很看重示波器的选择，却容易忽略对示波器探头的甄别。试想如果信号经过前端探头就已经失真，那再完美的示波器所测得的数据也会有误。所以正确了解探头性能，有效规避探头使用误区对我们日常使用示波器来说至关重要！ 在绝大多数示波器测量环境下，我们都需要使用探头。示波器探头有很多种，内部原理构造迥异，使用方法也各不相同。本文主要给大家介绍示波器探头的种类及工作原理，探头使用过程注意事项以及如何选择示波器探头。 1 示波器探头种类及工作原理 对于DC直流或一般低频信号而言，示波器探头只是一个由特定阻抗R所形成的一段传输线缆。而随着待测信号频率的增加和不规则性，示波器探头在测量过程中会引入寄生电容C以及电感L，寄生电容会衰减信号的高频成分，使信号的上升沿变缓。寄生电感则会与寄生电容一起构成谐振回路，使信号产生谐振现象。所有这些都会对我们测量信号的准确性带来挑战。 图1 探头电气特性示意图 示波器探头按供电方式分可分为无源探头和有源探头。无源探头又分为无源低压、无源高压及低阻传输线探头等，有源探头又分为有源单端、有源差分、高压差分探头等。此外，在一些特殊应用下，还会使用到电流探头（AC、DC）、近场探头、逻辑探头以及各类传感器（光、温度、振动）探头等。 无源探头是最常用的一类电压探头，也是我们在购买示波器时标配赠送的探头。如图2所示。
示波器基础系列之一——关于示波器带宽 带宽被称为示波器的第一指标，也是示波器最值钱的指标。示波器市场的划分常以带宽作为首要依据，工程师在选择示波器的时候，首先要确定的也是带宽。在销售过程中，关于带宽的故事也特别多。 通常谈到的带宽没有特别说明是指示波器模拟前端放大器的带宽，也就是常说的-3dB截止频率点。此外，还有数字带宽，触发带宽的概念。 我们常说数字示波器有五大功能，即捕获（Capture），观察（View），测量(Measurment)，分析（Analyse）和归档（Document）。这五大功能组成的原理框图如图1所示。 图1，数字示波器的原理框图 捕获部分主要是由三颗芯片和一个电路组成，即放大器芯片，A/D芯片，存储器芯片和触发器电路，原理框图如下图2所示。被测信号首先经过探头和放大器及归一化后成ADC可以接收的电压范围，采样和保持电路按固定采样率将信号分割成一个个独立的采样电平，ADC将这些电平转化成数字的采样点，这些数字采样点保存在采集存储器里送显示和测量分析处理。 图2，示波器捕获电路原理框图
示波器放大器的典型电路如图3所示。这个电路在模拟电路的教科书上处处可见。这种放大器可以等效为R C低通滤波器如图4所示。由此等效电路推导出输出电压和输入电压的关系，得出理想的幅频特性的波特图如图5所示。 图3，放大器的典型电路 图4，放大器的等效电路模型
至此，我们知道带宽f2即输出电压降低到输入电压70.7%时的频率点。根据放大器的等效模型，我们可进一步推导示波器的上升时间和带宽的关系式，即我们常提到的0.35的关系：上升时间=0.35/带宽，推导过程如下图6所示。需要说明的是，0.35是基于高斯响应的理论值，实际测量系统中这个数值往往介于0.35-0.45之间。在示波器的datasheet上都会标明“上升时间”指标。示波器测量出来的上升时间与真实的上升时间之间存在下面的关系式。在对快沿信号测试中，需要通过该关系式来修正实际被测信号的上升时间。 Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2
ABCs of Probes P rimer
ABCs of Probes Primer Precision Measurements Start at the Probe Tip As you'll learn in this primer,precision measurements start at the probe tip.The right probes matched to your oscilloscope are vital to achieving the greatest signal fidelity and measurement accuracy. Safety Summary When making measurements on electrical or electronic systems or circuitry,personal safety is of paramount importance.Be sure that you understand the capabilities and limitations of the measuring equipment that you’re using.Also,before making any measurements,become thoroughly familiar with the system or circuitry that you will be measuring.Review all documentation and schematics for the system being measured,paying particular attention to the levels and locations of voltages in the circuit and heeding any and all cautionary notations. Additionally,be sure to review the following safety precautions to avoid personal injury and to prevent damage to the measuring equipment or the systems to which it is attached.For additional explanation of any of the following precautions,please refer to Safety Precautions .— Observe All Terminal Ratings — Use Proper Grounding Procedures — Connect and Disconnect Probes Properly — Avoid Exposed Circuitry — Avoid RF Burns While Handling Probes — Do Not Operate Without Covers — Do Not Operate in Wet/Damp Conditions — Do Not Operate in an Explosive Atmosphere — Do Not Operate with Suspected Failures — Keep Probe Surfaces Clean and Dry — Do Not Immerse Probes in Liquids 2 To select the right probe for your specific application, please request the probe selection CD from your local Tektronix representative,or visit https://www.doczj.com/doc/de12752049.html,/accessories. Our continually expanding library of technical briefs,application notes and other resources will help ensure you get the most out of your probes and other equipment.Simply contact your local Tektronix representative or visit https://www.doczj.com/doc/de12752049.html,.
示波器的触发功能 汪进进美国力科公司深圳代表处 我记得初入力科的时候，在关于示波器的三天基础知识培训中有一整天的时间都是在练习触发功能。“触发”似乎是初学者学习示波器的难点。我们常帮工程师现场解决关于触发 的测试问题的案例也很多。通常有些工程师只知道“Auto Setup”之后看到屏幕上有波形然后“Stop”下来再展开波形左右移动查看细节。因此，我有时候甚至接到这样的电话，质疑我们的示波器有问题，因为他在”Auto Setup”之后看到的波形总是在屏幕上来回“晃动”。但是当我问他触发源设置得对不对，触发电平设置得合适否，是否采用了合适的触发方式等问题时，我没有得到答案; 即使有时遇到我心目中的高手，我也常发现他们对触发的基本概念都没有建立起来。我喜欢在写作某个主题之前google一下，但是很遗憾我没有找到一篇堪称完整的启蒙文章。虽然三家示波器厂家的PPT讲稿中都有很多关于触发的，但细致介绍触发的 中文文章真的很少。当然，这也是幸运的，因为我的拙文也许将是很多工程师茅塞顿开的启蒙之作。 触发是数字示波器区别于模拟示波器的最大特征之一。数字示波器的触发功能非常地丰富，通过触发设置使用户可以看到触发前的信号也可以看到触发后的信号。对于高速信号的分析，其实很少去谈触发，因为通常是捕获很长时间的波形然后做眼图和抖动分析。触发可能对于低速信号的测量应用得频繁些，因为低速信号通常会遇到很怪异的信号需要通过触发来隔离。假如示波器的触发电路坏了，示波器仍然可以工作，只是这时候看到的波形在屏幕上来回“晃动”，或者说在屏幕上闪啊闪的。这其实相当于您将触发模式设置为“Auto”状态并把触发电平设置得超过信号的最大或最小幅值。示波器的采集存储器是一个循环缓存，新的数据会不断覆盖老的数据，直到采集过程结束。如图一所示。没有触发电路，这些采集的数据不断地这样新老交替，在屏幕上视觉上感觉波形在来回“晃动”。Auto Setup是自动触发设置，示波器根据被测信号的特点自动设置示波器的水平时基，垂直灵敏，偏置和触发条件，使得波形能显示在示波器上。其主要目的是保证波形能显示出来，这对于拿到示波器不知道如何使波形“出来”的新手是有用的。但如果不理解触发的概念，通过Auto Setup的设置就开始观察，测量甚至得出结论是不对的。示波器毕竟是工程师的眼睛，工程师需要透彻掌握这个工具，用好这双眼睛。 所谓触发，按专业上的解释是：按照需求设置一定的触发条件，当波形流中的某一个波形满足这一条件时，示波器即实时捕获该波形和其相邻部分，并显示在屏幕上。触发条件的唯一
示波器探头分类及详细介绍 嘉兆科技 示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，其利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上进行测量。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。示波器不可或缺的一个元件就是示波器探头。 一.示波器探头简介 示波器探头是在测试点或信号源和示波器之间建立了一条物理和电子连接；实际上，示波器探头是把信号源连接到示波器输入上的某类设备或网络，它必须在信号源和示波器输入之间提供足够方便优质的连接。连接的充分程度有三个关键的问题：物理连接、对电路操作的影响和信号传输。 二.示波器探头的分类 市场上提供了数百种、甚至上千种不同的示波器探头。示波器探头的一个技术指标是频率特性，按频率划分探头的种类有其方便之处，但是示波器探头的频率覆盖范围有限很难按无线电频率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段来划分。示波器探头是所有探头中的一种，最常使用的探头是电压电流探头，而探头通常是按测量对象进行分类的。 1 无源电压探头 1.1 无源探头 无源探头由导线和连接器制成，在需要补偿或衰减时，还包括电阻器和电容器。探头中没有有源器件(晶体管或放大器)，因此不需为探头供电。无源探头一般是最坚固、最经济的探头，它们不仅使用简便，而且使用广泛。
1.2 高阻无源电压探头 从实际需要出发，使用最多的是电压探头，其中高阻无源电压探头占最大部分。无源电压探头为不同电压范围提供了各种衰减系数1×，10×和100×。在这些无源探头中，10×无源电压探头是最常用的探头。对信号幅度是1V峰峰值或更低的应用，1×探头可能要比较适合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信号混合(几十毫伏到几十伏)的应用中，可切换1×/10×探头要方便得多。但是，可切换1×/10×探头在本质上是一个产品中的两个不同探头，不仅其衰减系数不同，而且其带宽、上升时间和阻抗(R和C)特点也不同。因此，这些探头不能与示波器的输入完全匹配，不能提供标准10×探头实现的最优性能。 1.3 低阻无源电压探头 大多数高阻无源探头的带宽范围在小于100MHz到500MHz或更高的带宽之间。而低阻无源电压探头(又称为50欧姆探头、Zo探头、分压器探头)的频率特性很好，采用匹配同轴电缆的探头，带宽可达10GHz和100皮秒或更快的上升时间。这种探头是为用于50欧姆环境中设计的，这些环境一般是高速设备检定、微波通信和时域反射计(TDR)。 1.4 无源高压探头 “高压”是相对的概念。从探头角度看，我们可以把高压定义为超过典型的通用10×无源探头可以安全处理的电压的任何电压。高压探头要求具有良好的绝缘强度，保证使用者和示波器的安全。 2.有源电压探头 2.1 有源探头 有源探头包含或依赖有源器件，如晶体管。最常见的情况下，有源设备是一种场效应晶体管(FET)，它提供了非常低的输入电容，低电容会在更宽的频段上导致高输入阻抗。可以从下面的Xc公式中看出： 2.2 有源FET探头
示波器基础知识 示波器是一种图形显示设备，它描绘电信号的波形曲线。这一简单的波形能够说明信号的许多特性：信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电路中“变化部分”信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、是否存在故障部件使信号产生失真、信号的直流成份（DC）和交流成份（AC）、信号的噪声值和噪声随时间变化的情况、比较多个波形信号等。 １、示波器的发展过程 初期主要为模拟示波器 廿世纪四十年代是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，泰克成功开发带宽10MHz的同步示波器，这是近代示波器的基础。五十年代半导体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到10 0MHz。六十年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽6GHz的取样示波器、带宽4GHz的行波示波管、1GHz的存储示波管；便携式、插件式示波器成为系列产品。七十年代模拟式电子示波器达到高峰，行谱系列非常完整，带宽1GHz的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器，英国和法国甚至退出示波器市场，技术以美国领先，中低档产品由日本生产。 模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和预前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器逐渐从前台退到后台。
但是在发展初期模拟示波器的某些特点，却是数字示波器所不具备的： ○操作简单：全部操作都在面板上可以找到，波形反应及时，数字示波器往往要较长处理时间。 ○垂直分辨率高：连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有8位至1 0位。 ○数据更新快：每秒捕捉几十万个波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。 ○实时带宽和实时显示：连续波形与单次波形的带宽相同，数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形。 简而言之，模拟示波器为工程技术人员提供眼见为实的波形，在规定的带宽内可非常放心进行测试。人类五官中眼睛视觉神经十分灵敏，屏幕波形瞬间反映至大脑作出判断，细微变化都可感知。因此，刚开始模拟示波器深受使用者的欢迎。 中期数字示波器独领风骚 八十年代的数字示波器处在转型阶段，还有不少地方要改进，美国的TEK 公司和HP公司都对数字示波器的发展作出贡献。它们后来停产模拟示波器，并且只生产性能好的数字示波器。进入九十年代，数字示波器除了提高带宽到1G Hz以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。出现所谓数字示波器模拟化的现象，换句话说，尽量吸收模拟示波器的优点，使数字示波器更好用。 数字示波器首先在取样率上提高，从最初取样率等于两倍带宽，提高至五倍甚至十倍，相应对正弦波取样引入的失真也从100%降低至3%甚至1%。带宽1 GHz的取样率就是5GHz/s，甚至10GHz/s。 其次，提高数字示波器的更新率，达到模拟示波器相同水平，最高可达每秒40万个波形，使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强。
示波器探头原理及种类（2） ――BJLK 在了解探头的结构之前，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，示波器的输入接口电路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。示波器的输入端有1M欧姆或50欧姆的匹配电阻。示波器的探头种类很多，但是示波器的的匹配永远只有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，为了对被测电路影响小，示波器可以采用1M欧姆的高输入阻抗，但是由于高阻抗电路的带宽很容易受到寄生电容的影响。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～1GHz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；2GHz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。不过随着市场的需求，有些2GHz以上的示波器也提供了1M欧姆和50欧姆的输入切换。 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。但是使用测试电缆连接时需要在被测电路上也有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，还是需要专门的探头。 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。 ――未完待续