2021年08月12日 | 示波器探头的原理和分类

2021-08-12 来源：eefocus

对于示波器来说，其输入口一般是BNC或者SMA 3.5mm接头、2.92mm接头、1.85mm接头、1mm接头等同轴接口。

如下图所示的示波器带宽在200MHz~1.5G，连接探头使用的是BNC接口。

如下图所示的示波器连接探头的接口是SMA接口，这种示波器探头的接口使用的场合有限，一般是用于射频和微波的信号测试，对于数字或通用信号测试，很多时候还是使用专门的探头。

如果被测件是使用类似同轴接口连接器，可以通过示波器电缆直接连接，但要是是测试PCB板上的信号，或被测使用不是使用周同轴的连接器，就需要用到相应的示波器探头。

使用示波器的工程师都接触过探头，通常说的示波器是用来测电压信号的（比如外部传感器光、电流也是先通过相应的转换器转成电压信号），探头的主要目的就是把被测电压信号从测量点引入示波器进行测量。根据不同的应用，有各种各样的探头供我们进行选择，如下图所示：

示波器的探头按是否需要供电可分为有源和无源探头，按测量的信号可分为电压、电流、光探头。所谓的无源探头是指探头整个都是由无源器件构成，包括电阻、电容、电缆等，而有源探头内部一般都有放大器，放大器需要供电，一般是通过示波器接口或是外部供电。

在使用示波器时，大部分工程师会比较关注示波器的本身，而忽略了探头的选择。实际上，探头是介于被测信号和示波器的中间环节，如果信号经过探头后就失真了，那示波器做的再好也是没有用。因此探头的选择是十分重要的。

比如，通常500MHz 的无源探头本身的上升时间约于700ps，通过这个探头去测试一个上升时间为530ps的信号，就算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，因此示波器最终测试得出信号上升时间必然错误的。

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

而对于平坦响应的示波器和探头来说，整个测量系统的带宽取决于带宽最小的那部分。了解示波器的频响方式可以参考星球文章：【示波器专题】示波器的频响方式。

实际上，探头的设计要比示波器更难，因为示波器内部是可以做很好的屏蔽，并且也不需要频繁的拆卸，而探头的设计除了要满足方便的要求，还要保证至少要有示波器一样的带宽，这难度会大的多。回顾示波器的发展历史，当很多高带宽的实时示波器在刚出现的时候，是没有对应带宽的探头的，通常会延迟一段时间才会推出相应带宽的探头。

在测试时要选择合适的探头，首先要了解探头对测试的影响，包含了探头对被测电路的影响及探头影响被测信号，导致信号失真。理想的探头应该是对被测电路没有影响，并且信号也会无失真传输到示波器内。但理想始终是理想，没有探头能同时满足这两个条件，通常需要在这两个参数上做一些折中。

研究探头可将探头输入电路简单的等效为下图的RLC模式（实际模式比这个复杂），测试时需要将被测电路放在一起进行分析。

首先，探头自身就有输入电阻，与万用表测电压原原理是一样的，为了尽量减少对被电路的影响，要求探头本身的输入电阻Rprobe要尽可能大。由于Rprobe不可能做到无穷大，所以就会与被测电路产生分压，使得实际的电压可能不是探头测量到的真实电压，这在电源或放大器电路的测试中经常遇到。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大于源阻抗以及负载阻抗至少10倍以上，大部分的探头输入阻抗在几十k到几十M之间。

其次，探头本身有输入电容，这个电容不是刻意做进去的，而是探头本身的寄生电容。这个寄生电容是影响探头带宽的最重要原因，因为这个电容会衰减高频成分。通常高带宽的探头寄生参数都较小，一般无源探头在10pF到几百pF之间，带宽高的有源探头输入电容一般在0.2pF到几pF之间。由于寄生电容的存在，探头的交流输入阻抗随着频率的上升而下降，从而影响探头的带宽。

下图红色框图中是一些无源探头的输入电容值，大概都在10pF数量级。

下图是一些有源探头的输入电容，大概都是几pF的数量级。

下图是两种常见的有源探头和无源探头输入阻抗随着频率变化的曲线，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输入阻抗有10M，另一个2GHz带宽的有源探头输入阻抗为1M。但是由于无源探头有更大的寄生电容，所以随着频率增加，输入阻抗下降的很快，当频率达到70MHz时，输入阻抗已经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的带宽影响是很大的。

探头的输入信号还会受到探头寄生电感的影响。探头的输入电阻和电容都比较好理解，但探头的输入端寄生电感却常常被工程师们忽视，特别是在高频信号测量时。那么电感来自哪里呢？？我们知道导线就会有寄生电感，探头与被测电路之间会有一段导线连接，同时信号回流还要经过探头的地线。对于示波器的探头常用地线来说，通常1mm的探头长度会有1nH的电感量，信号和地线越长，电感值越大。

正因为探头中寄生电感的存在，所以我们在测试电源纹波时都需要使用最小地环进行测试。具体可参考星球文章：【电源专题】电源纹波如何产生？测试电源纹波时有什么注意事项？

如下图所示，探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振电路，当电感值太大时，谐振频率很低，就特别容易在输入信号的激励下产生高频谐振，造成信号的失真。所以在测量高频信号时要严格控制信号和地线的长度，否则很容易产生振铃。

因此，我们在测试不同的信号时，不仅要选对探头，还要知道探头的寄生参数对我们被测信号的影响。这就需要我们去学习探头、示波器知识，提升自己的认知才更能游刃有余的工作。

参考《现代示波器高级应用——测试及使用技巧》

示波器探头带宽

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