1.1 示波器探头的定义

本质上，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。

1.2 示波器探头的发展过程

在过去50年中，各种示波器探头接口设计一直在不断演进，以满足提高的仪器带宽速度和测量性能要求。在最早的年代，通常使用香蕉式插头和UHF型连接器。在20世纪60年代，普通BNC型连接器成为常用的探头接口类型，因为BNC体积更小、频率更高。BNC探头接口仍用于测试和测量仪器设计，当前更高质量的BNC型连接器提供了接近4GHz的最大可用带宽功能。

之后，某些厂家提出了普通BNC型探头接口设计变通方案，在使用BNC连接器的同时，额外提供了一个模拟编码的标度系数检测针脚，作为机械和电子接口设计的一部分，使得兼容的示波器能够自动检测和改变示波器显示的垂直衰减范围。

1.3 示波器探头的结构形式

大多数探头由探头头部、探头电缆、补偿设备或其他信号调节网络和探头连接头组成。如图1所示。

图1 探头的结构形式

为进行示波器测量，必须先能够在物理上把探头连接到测试点。为实现这一点，大多数探头至少有一两米长的相关电缆，如图1所示。但是探头电缆降低了探头带宽：电缆越长，下降的幅度越大。除了一两米长的电缆外，大多数探头还有一个探头头部或带探针的把手，探头头部可以固定探头，用户则可以移动探针，与测试点接触。通常这一探针采用弹簧支撑的挂钩形式，可以把探头实际连接到测试点上。

为了获得可用的测量结果，探针上的信号必须通过探头头部和电缆，以足够的保真度传送到示波器的输入。

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，具体分类如图2所示：

3.1 负载效应

所谓负载效应就是在被测电路上接入示波器时，有时示波器的输入电阻会对被测电路产生影响，致使被测电路的信号发生变化。若负载效应的影响很大，就不能准确地进行波形测量。若要减小负载效应，就需要将示波器一端的输入电阻增大。输入电阻越大，输入电容越小，负载效应就越小。

在示波器测量中，另外一种负载效应指的是探头对被测电路的负载效应，为保证测量的准确性，需要减轻探头对被测电路的负载效应，不至影响到被测信号，因此应选择高输入阻抗的探头。探头的输入阻抗可以等效为电阻与电容的并联。低频时（1MHz以下）探头的负载主要是阻抗作用；高频时（10MHz以上）探头的负载主要是容抗作用。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，例如带宽100MHz用的无源探头，它的输入电阻是1~10Ω，输入电容是1~10pF。有源探头的负载作用优于无源探头，频率特性更好。

3.2 阻抗匹配

阻抗是电压和电流之比，在理想情况下，对被测仪器进行测试时不应影响它的正常工作，测量值也应和未接测试仪器时相同。当连接仪器进行测量时，要考虑阻抗对测量准确性的影响，为了保证仪器之间能够传送最大的功率，阻抗应该匹配。如果阻抗为纯电阻，应使输入阻抗与输出阻抗的值相等。如果阻抗包含电抗成分应使负载的输入阻抗与源的输出阻抗共轭匹配，这时能够传送最大功率。

阻抗匹配的阻抗值通常和使用的传输线的特性阻抗值一致。对于射频系统，一般采用50Ω阻抗。对于高阻抗仪器，由于等效并联电容的存在，随着频率升高，并联组合阻抗逐渐变小，将对被测电路形式负载。如1MΩ输入阻抗，在频率达到100MHz时，等效阻抗只有100Ω左右。因此，高带宽的示波器一般都采用50Ω输入阻抗，这样可以保证示波器与源端的匹配。但是使用50Ω输入阻抗时，必须考虑到50Ω输入阻抗的负载效应比较明显，此时最好使用低电容的有源探头。

3.3 电容负荷

随着信号频率或转换速率提高，阻抗的电容成分变成主要因素。结果，电容负荷成为主要问题，特别是电容负荷会影响快速转换波形的上升时间和下降时间及波形中高频成分幅度。

4.1 带宽和上升时间

探头的带宽是指导致探头响应输出幅度下降到70.7%（-3dB）的频率。上升时间是指探头对步进函数10~90%的响应，表明了探头可以从头部到示波器输入传送的快速测量转换。大多数探头，带宽与上升时间乘积接近0.35。在很多情况下，带宽由脉冲上升时间验证来保证最小失真。

4.2 电容

探头头部电容指标是指探头探针上的电容，是探头等效在被测电路测试点或被测设备上的电容。探头对示波器一端也等效成一个电容，这个电容值应该与示波器电容相匹配。对10×和100×探头，这一电容称为补偿电容，它不同于探头头部电容。下面将继续介绍补偿电容。

4.3 畸变(Aberration)

畸变是输入信号预计响应或理想响应的任何幅度偏差。在实践中，在快速波形转换之间通常会立即发生畸变，其表现为所谓的“减幅振荡”。没有规定极限畸变的高频探头可以提供使人完全误解的测量。存在畸变可以说明严重失真的带宽和滚降(roll-off)特性。

4.4 衰减系数

当正确接上终端时，探头应该有恒定的衰减系数。衰减系数是输出信号对输入信号的比值。某些探头的可能会有可以选择的衰减系数，典型的衰减系数是1×、10×和100×。1×档和10×档电路如图4所示，这两部分电路均由电阻电容组成。

4.5 探头衰减补偿

所谓探头衰减补偿是指当示波器和探头配合使用时，调整探头中的可变电容，以使频率达到相对稳定。探头补偿意味着在探头末端和示波器的输入端之间频率补偿。探头末端与示波器的输入端的关系如图5所示，调节C2可得如下关系：

图5 电容探头补偿电路

示波器的输入电阻虽然只有1MΩ，但是与其并联的输入电容却根据机种的不同而有差异。即使是同一机种，每个通道上的输入电容也不相同，所以，改变了示波器和探头的组合，相应的也要改变探头的相位补偿。

探头校准的方法如下：将探头与探头校准的方波信号输出端子相连，探头的特性为最佳状态时，如图6中(a)所示，若出现(b)，(c)所示的情况，请用改锥调整探头上的频率补偿微调电容器进行校准。

图6 探头校准示意图

4.6 额定最大电压

额定最大电压由DC + peak AC决定，即输出电压的直流值和交流峰值的总和不能超过示波器的额定电压最大值，如果超过这个额定最大电压，会损坏探头。

4.7 电压额定值随频率的下降

电压探头在低频时的最大输入电压有明确的规定，随着频率的增加输入电压会相应降低。对于高频探头必须注意输入电压随频率的变化，在频率高于1MHz时允许的输入电压随频率的增加而急剧下降。

将待测信号正确接入示波器是测试工作的第一步，这里我们主要介绍探头与被测电路连接时的注意事项。

1. 探头与被测电路连接时，探头的接地端务必与被测电路的地线相联。否则在悬浮状态下，示波器与其他设备或大地间的电位差可能导致触电或损坏示波器、探头或其他设备。

2. 测量建立时间短的脉冲信号和高频信号时，请尽量将探头的接地导线与被测点的位置邻近。接地导线过长，可能会引起振铃或过冲等波形失真。如图7所示。

图7 探头接地方法示意图

3. 为避免接地导线影响对高频信号的测试，建议使用探头的专用接地附件。如图8所示为典型通用电压探头所带有的标准测试附件。

图8 带有标准配件的典型通用电压探头（图片来源于泰克《探头ABC》）

4. 为避免测量误差，请务必在测量前对探头进行检验和校准，探头衰减补偿的校准原理和方法我们在前面已经介绍过，这里不再赘述。

5. 对于高压测试，要使用专用高压探头，分清楚正负极后，确认连接无误才能通电开始测量。

6. 对于两个测试点都不处于接地电位时，要进行“浮动”测量，也称差分测量，要使用专业的差分探头。

7 总结

探头对示波器测量至关重要，所以要求探头对探测的电路影响必须达到最小，并希望对测量值保持足够的信号保真度。如果探头以任何方式改变信号或改变电路运行方式，示波器会看到实际信号的失真结果，进而可能导致错误的测量结果，或者误导性的测量结果。通过以上介绍可知，探头的选购和正确使用有许多值得注意的地方，只有与示波器和被测电路都匹配良好的探头才是您该选择和使用的探头。