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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。
示波器选型（探头技术指标参数的意义）自从示波器问世以来，它一直是最重要，最常见的电子测试仪器之一，由于电子技术的发展，示波器的功能在不断上升完善，其它性能和价格也是五花八门主，其探头也是从单一到复杂。
一。
频宽和示波器一们，探头也具有其允许的有限带宽。
示波器的无源探头知识
示波器的无源探头知识
示波器的探头种类非常多，与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
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。
1-1 中加以说明，探头在此测量图中作为一个未定义的方框而被指明。
探头事实上无论它是什么，它必须在信号源和示波器输入之间提供足够便利的和高质量的连接(图 1-2 )。
适当的连接有3个关键性的定义问题-物理连接，对电路运行的影响，及信号的传送。
图1-1. 探头是在示波器和测试点之间进行物理和电路连接的设备。
图1-2. 大多数探头由一个探头尖，一根探头电缆线，及一个补偿盒或其它类型的信号调节网络组成。
1理想的探头在理想世界中，理想的探头将提供下列关键的属性：连接简单和便利绝对的信号保真度零信号源极负载完全的噪音抗扰性连接简易和便利。
一个连接到测试点的物理连接已经作为探测的关键要求之一被论及。
使用理想的探头，你应该能够使物理连接简单及便利。
对于小型化电路，如高密度的表面装配技术( SMT ) 电路，微型探头及多种类的为SMT设备设计的探头尖适配器，能够使连接简易及便利。
图 1-3a所示，为这样的一个探头系统。
然而，这些探头，对于具有高电压和普通标准导线的工业功率电路而言，是太小了。
对于功率应用，需要应用更大尺寸的具有更多边缘保护的探头。
图1-3b和表1-3c是此类探头的例子。
图1-3b是一根高电压探头，图1-3c是一个通用探头上的夹具。
从这几个物理连接的例子可以看出，对于所有的应用来说，没有唯一的理想的探头尺寸及外形结构，因此，我们设计了各种各样尺寸外形及结构的探头，从而满足各种各样的应用和物理连接的要求。
绝对信号保真度。
理想的探头应该忠实地将信号从探头尖传送到示波器输入端。
换句话说，探头尖处的原有信号应当被忠实地复制到示波器输入端。
a. 探测 SMT 设备。
b. 高电压探头。
c. 通用探头上的夹具。
图1-3 多种多样的探头可应用于不同的技术应用及测量需求之中。
2图 1-5 . 探头和示波器设计为在规定的带宽范围上进行测量。
超越了 3 dB 点的频率，信号振幅极度削弱，测量结果是无法预知的。
图 1-4 .探头是由分布式的阻抗、感抗、电容组成。
示波器探头1. 简介示波器探头（也称为测量探头）是示波器电子设备中的一个重要组成部分，用于连接被测电路和示波器，将电路上的信号转换为示波器可以显示和分析的电压波形。
探头的设计与性能直接影响着示波器的测量准确性和灵敏度。
本文将介绍示波器探头的基本原理、结构和使用方法，并介绍一些常见的示波器探头类型及其特点。
2. 基本原理示波器探头的基本原理是通过在被测电路上插入一个高阻抗的输入电路，将电路上的信号采集到探头中，并通过电缆传输到示波器输入端。
探头在信号采集过程中应尽量不改变被测电路的特性，避免对被测电路造成影响。
为了满足高阻抗和低串扰的要求，示波器探头通常采用共模抑制和差模传输技术。
共模抑制可以抑制干扰信号对被测信号的影响，而差模传输可以将两个相等但反向的信号进行差分处理，提高信号的传输质量。
3. 结构和类型示波器探头的结构通常包括探头头部、探头主体和连接线。
探头头部是用于与被测电路接触的部分，需要具有良好的接触性能和适配不同电路的能力。
探头主体包含信号采集电路和阻抗转换电路，用于将被测信号转换为示波器可以接收的电压波形。
连接线负责将采集到的信号传输到示波器输入端。
根据不同的应用场景和测量需求，示波器探头可以分为以下几种常见类型：3.1 被动探头被动探头是最常用的示波器探头类型之一，也是最基本的探头类型。
它采用被动元件（如电阻、电容和电感等）作为信号采集电路，主要用于测量幅值较小的低频信号。
被动探头具有简单、易用和低成本的特点，但在高频和大幅值信号测量时，性能可能会受到限制。
3.2 主动探头主动探头是专门用于测量高频和大幅值信号的示波器探头。
它通过在探头主体中增加放大器电路，将被测信号放大后再传输到示波器输入端。
主动探头具有较高的输入阻抗和增益，可以在保持信号完整性的同时提高测量精度和灵敏度。
3.3 差分探头差分探头是用于测量差分信号的示波器探头。
它通常由两个采样通道和一个差分放大器组成，将两个信号进行差分放大后传输到示波器输入端。
示波器无源探头（Passive Oscilloscope Probe）是一种不需要外部电源即可工作的示波器探头。
它的原理是基于阻抗变换和信号耦合，以适应示波器输入端的要求。
无源探头通常由探头本体、耦合电容、输入阻抗变换网络（通常是一个有源元件，如运算放大器）和终端电阻组成。
以下是示波器无源探头的基本工作原理：
1. 耦合电容：无源探头的输入端通常接有一个耦合电容，用于阻止直流分量通过探头进入示波器，这样可以保护示波器的电子元件不受直流电压的影响。
同时，耦合电容允许交流信号通过。
2. 输入阻抗变换网络：示波器的输入阻抗通常很高，以减少对被测电路的影响。
无源探头内部的输入阻抗变换网络可以将探头侧的较低阻抗转换为示波器输入所需的高阻抗。
这通常通过使用运算放大器和其他电阻元件来实现。
3. 终端电阻：无源探头的输出端接有一个终端电阻，这个电阻的值通常与示波器的输入阻抗相匹配，以确保信号在传输过程中不会因为阻抗不匹配而衰减。
4. 信号耦合：探头的本体通常由导电材料制成，可以用来耦合被测电路的信号。
由于探头本身不提供电源，它不会对被测电路产生影响，这使得无源探头非常适合用于测量敏感电路。
无源探头的优点是不需要外部电源，使用方便，且对被测电路的影响较小。
然而，无源探头的带宽通常有限，对于高速信号的测量可能不够理想。
在需要更高带宽和更精确测量的情况下，可能需要使用有源探头（Active Probe），有源探头内部包含有源电子元件，可以提供更宽的带宽和更好的性能。
示波器被誉为“电子工程师的眼睛”，作为示波器不可缺少的组成部分，示波器探头的参数直接影响到测试结果的准确性及正确性，因此，能否正确选取合适的示波器探头直接关系到测试工作的成败，作为一名电子工程师，我们必须知道各种示波器探头的特点、原理及适用场合。
示波器探头的种类有很多，大体上可以分为电压、电流、逻辑等几大类，如下图所示：♦电压探头理想中的电压探头没有负载效应，不会对测量造成任何影响，同时对信号没有任何失真。
理想探头具备如下特征：1).输入电阻无限大；2).输入电容为0；3).带宽无限大；4).动态范围无线大；5).1:1衰减；6).无延迟；7).无相位偏移；8).机械结构适合测量应用。
在实际中，这种理想探头是不存在的。
为了说明探头对测量的影响，我们可以把探头模型简单等效为一个R、L、C电路，把这个模型与被测电路放在一起，如下图所示：如上图所示，Rprobe是探头的输入电阻，为了尽可能减少探头对被测电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe越大越好，但是Rprobe是不可能做到无穷大的，所以就会和被测电路产生分压，使得实测电压比实际电压小。
为了避免探头电阻负载造成的影响，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。
大部分探头的输入阻抗在几十K欧姆到几十兆欧姆之间。
Cprobe是探头本身的输入电容。
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。
Lprobe是探头导线的寄生电感，通常1mm 探头的地线会有大约1nH 的电感，信号和地线越长，电感值越大。
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，在输入信号的激励下就有可能产生高频谐振，造成信号的失真。
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！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8R&SRT-ZZ808.0GHz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接口，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?有源单端图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图13，蓝色波共模（Vcm=（Vin+、Vin-差模（DifferentialMode）：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（CommonModeRejection）：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（CommonModeRejectionRatio）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差分信号测试举例可达50dB图图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17ProbeMeter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。
图图当有AC如果是的电子发生偏转，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20R&SRTO-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21EMI------2012中应该注意哪些问题。
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短。
Trise示波器+2.32.4pF。
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：Rin =1/2πfCin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。
33.1图2抗的10图31M?的阻抗，此时探测点的电压为：5V×(90.9k)/[100+(90.9k)]=4.994V此时，探头引入的负载效应仅为0.001V，可以忽略不计。
如果待测点的输出阻抗更高，则需要使用更高输入阻抗的探头。
值得一提的是，当我们测试由信号源输出的射频信号时，一般使用的是50?传输线缆。
50?的传输线缆与信号源输出阻抗（50?）相匹配，使功率最大的传输至示波器，从而保证了测量精度。
而在某些时候，工程师希望测试电路板上某个探测点处的频谱，往往使用剪断的50?传输线缆，在剪断处剥离地和传输芯，用以接触探测点。
线缆另一端则连接至频谱仪。
图4前段剥离的50?传输线缆会对与频谱R&S图图63.2时，或者因探头资源紧张而临时拿其他品牌探头使用时，都会涉及到探头补偿问题。
所谓探头补偿是指示波器与探头连接使用时，调整探头的可变电容，在探头与示波器之间进行频率补偿，使频率达到相对稳定的状态。
当补偿完成后，具备如下关系式:Rscope ×Cscope=Rprobe×Cprobe即：为了最大限度地传送信号，示波器的输入电阻和电容必须与探头输出的电阻和电容相匹配，此时探头具有最优信号传送能力。
那么如何进行探头补偿呢？探头补偿一般针对无源探头而言（有源探头也存在补偿），使用过无源探头的工程师可能会发现，在无源探头与示波器接触的一端上有一个小孔，这个小孔内有一个十字旋钮。
