目前，市場上提供了數(shù)百種、甚至上千種不同的示波器探頭。示波器探頭的一個技術(shù)指標(biāo)是頻率特性，按頻率劃分探頭的種類有其方便之處，但是示波器探頭的頻率覆蓋范圍有限很難按無線電頻率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段來劃分。示波器探頭是所有探頭中的一種，最常使用的探頭是電壓電流探頭，而探頭通常是按測量對象進(jìn)行分類的。
1.無源電壓探頭
1.1 無源探頭
無源探頭由導(dǎo)線和連接器制成，在需要補(bǔ)償或衰減時(shí)，還包括電阻器和電容器。探頭中沒有有源器件(晶體管或放大器)，因此不需為探頭供電。無源探頭一般是最堅(jiān)固、最經(jīng)濟(jì)的探頭，它們不僅使用簡便，而且使用廣泛。
1.2 高阻無源電壓探頭
從實(shí)際需要出發(fā)，使用最多的是電壓探頭，其中高阻無源電壓探頭占最大部分。無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)1×，10×和100×。在這些無源探頭中，10×無源電壓探頭是最常用的探頭。對信號幅度是1V峰峰值或更低的應(yīng)用，1×探頭可能要比較適合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信號混合(幾十毫伏到幾十伏)的應(yīng)用中，可切換1×/10×探頭要方便得多。但是，可切換1×/10×探頭在本質(zhì)上是一個產(chǎn)品中的兩個不同探頭，不僅其衰減系數(shù)不同，而且其帶寬、上升時(shí)間和阻抗(R和C)特點(diǎn)也不同。因此，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提供標(biāo)準(zhǔn)10×探頭實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)性能。
1.3 低阻無源電壓探頭
大多數(shù)高阻無源探頭的帶寬范圍在小于100MHz到500MHz或更高的帶寬之間。而低阻無源電壓探頭(又稱為50歐姆探頭、Zo探頭、分壓器探頭)的頻率特性很好，采用匹配同軸電纜的探頭，帶寬可達(dá)10GHz和100皮秒或更快的上升時(shí)間。這種探頭是為用于50歐姆環(huán)境中設(shè)計(jì)的，這些環(huán)境一般是高速設(shè)備檢定、微波通信和時(shí)域反射計(jì)(TDR)。
1.4 無源高壓探頭
“高壓”是相對的概念。從探頭角度看，我們可以把高壓定義為超過典型的通用10×無源探頭可以安全處理的電壓的任何電壓。高壓探頭要求具有良好的絕緣強(qiáng)度，保證使用者和示波器的安全。
2 有源電壓探頭
2.1 有源探頭
有源探頭包含或依賴有源器件，如晶體管。最常見的情況下，有源設(shè)備是一種場效應(yīng)晶體管(FET)，它提供了非常低的輸入電容，低電容會在更寬的頻段上導(dǎo)致高輸入阻抗�？梢詮南旅娴腦c公式中看出：
2.2 有源FET探頭
有源FET探頭的規(guī)定帶寬一般在500MHz ～4GHz之間。除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻抗未知的測試點(diǎn)上進(jìn)行測量，而產(chǎn)生負(fù)荷效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)要低得多。另外，由于低電容降低了地線影響，可以使用更長的地線。
有源FET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動態(tài)范圍一般在±0.6V到±10V之間。
2.3 有源差分探頭
差分信號是互相參考，而不是參考接地的信號。差分探頭可測量浮置器件的信號，實(shí)質(zhì)上它是兩個對稱的電壓探頭組成，分別對地段有良好絕緣和較高阻抗。差分探頭可以在更寬的頻率范圍內(nèi)提供很高的共模抑制比(CMRR)。
3. 電流探頭
從原理上來看，用電壓探頭測得電壓值，除以被測阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實(shí)際上這種測量引入的誤差很大，所以一般不采用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號電流磁通經(jīng)互感變壓器變換成電壓，再由探頭內(nèi)的放大器放大后送到示波器。
從原理上來看，用電壓探頭測得電壓值，除以被測阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實(shí)際上這種測量引入的誤差很大，所以一般不采用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號電流磁通經(jīng)互感變壓器變換成電壓，再由探頭內(nèi)的放大器放大后送到示波器。
3.1 交流電流探頭
交流電流在互感器中，隨著電流方向的變化，產(chǎn)生電場的變化，并感應(yīng)出電壓。交流電流探頭屬于無源設(shè)備，無需外接供電。
3.2 直流電流探頭
傳統(tǒng)電流探頭只能測量交流交流信號，因?yàn)榉�(wěn)定的直流電流不能在互感器中感應(yīng)電流。然而，利用霍爾效應(yīng)，電流偏流的半導(dǎo)體設(shè)備將產(chǎn)生與直流電場對應(yīng)的電壓。所以，直流電流探頭是一種有源設(shè)備，需要外接供電。
所以電流探頭基本上分成兩類：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭通常是無源探頭，AC/DC電流探頭通常是有源探頭。
3.4. 邏輯探頭
使用示波器觀察分析數(shù)字波形的模擬特點(diǎn)時(shí)，需要用到邏輯探頭，為隔離確切地成因，數(shù)字設(shè)計(jì)人員通常需要查看在具體邏輯條件下發(fā)生的特定數(shù)據(jù)脈沖，這要求邏輯觸發(fā)功能�？梢栽诖蠖鄶�(shù)示波器中增加這種邏輯出發(fā)功能。
3.5.其他探頭
由于示波器的應(yīng)用范圍十分廣泛，所以除了上述的探頭類型外還有各種專用探頭，這些專業(yè)探頭根據(jù)其前端傳感器的不同而有不同的功用，下面我們介紹其中的兩種，僅供讀者了解。
光電探頭在原理上是普通電壓探頭與光電轉(zhuǎn)換器件的組合，可直接測量光器件和光纖傳輸?shù)墓庑盘枴?
溫度探頭是普通電壓探頭與溫度傳感器的組合，可直接測量物體的溫度。溫度探頭屬傳感器探頭的一種，各種傳感器探頭與示波器配合可測量多種物理量。
4. 示波器探頭對測量的影響
4. 負(fù)載效應(yīng)
4.1 負(fù)載效應(yīng)
所謂負(fù)載效應(yīng)就是在被測電路上接入示波器時(shí)，有時(shí)示波器的輸入電阻會對被測電路產(chǎn)生影響，致使被測電路的信號發(fā)生變化。若負(fù)載效應(yīng)的影響很大，就不能準(zhǔn)確地進(jìn)行波形測量。若要減小負(fù)載效應(yīng)，就需要將示波器一端的輸入電阻增大。輸入電阻越大，輸入電容越小，負(fù)載效應(yīng)就越小。
在示波器測量中，另外一種負(fù)載效應(yīng)指的是探頭對被測電路的負(fù)載效應(yīng)，為保證測量的準(zhǔn)確性，需要減輕探頭對被測電路的負(fù)載效應(yīng)，不至影響到被測信號，因此應(yīng)選擇高輸入阻抗的探頭。探頭的輸入阻抗可以等效為電阻與電容的并聯(lián)。低頻時(shí)(1MHz以下)探頭的負(fù)載主要是阻抗作用;高頻時(shí)(10MHz以上)探頭的負(fù)載主要是容抗作用。為了減輕探頭對被測電路的負(fù)載作用，應(yīng)選擇高阻抗、低容抗的探頭，例如帶寬100MHz用的無源探頭，它的輸入電阻是1~10Ω，輸入電容是1~10pF。有源探頭的負(fù)載作用優(yōu)于無源探頭，頻率特性更好。
4.2 阻抗匹配
阻抗是電壓和電流之比，在理想情況下，對被測儀器進(jìn)行測試時(shí)不應(yīng)影響它的正常工作，測量值也應(yīng)和未接測試儀器時(shí)相同。當(dāng)連接儀器進(jìn)行測量時(shí)，要考慮阻抗對測量準(zhǔn)確性的影響，為了保證儀器之間能夠傳送最大的功率，阻抗應(yīng)該匹配。如果阻抗為純電阻，應(yīng)使輸入阻抗與輸出阻抗的值相等。如果阻抗包含電抗成分應(yīng)使負(fù)載的輸入阻抗與源的輸出阻抗共軛匹配，這時(shí)能夠傳送最大功率。
阻抗匹配的阻抗值通常和使用的傳輸線的特性阻抗值一致。對于射頻系統(tǒng)，一般采用50Ω阻抗。對于高阻抗儀器，由于等效并聯(lián)電容的存在，隨著頻率升高，并聯(lián)組合阻抗逐漸變小，將對被測電路形式負(fù)載。如1MΩ輸入阻抗，在頻率達(dá)到100MHz時(shí)，等效阻抗只有100Ω左右。因此，高帶寬的示波器一般都采用50Ω輸入阻抗，這樣可以保證示波器與源端的匹配。但是使用50Ω輸入阻抗時(shí)，必須考慮到50Ω輸入阻抗的負(fù)載效應(yīng)比較明顯，此時(shí)最好使用低電容的有源探頭。
4.3 電容負(fù)荷
隨著信號頻率或轉(zhuǎn)換速率提高，阻抗的電容成分變成主要因素。結(jié)果，電容負(fù)荷成為主要問題，特別是電容負(fù)荷會影響快速轉(zhuǎn)換波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間及波形中高頻成分幅度。
5.示波器探頭的主要技術(shù)指標(biāo)
5.1 帶寬和上升時(shí)間
探頭的帶寬是指導(dǎo)致探頭響應(yīng)輸出幅度下降到70.7%(-3dB)的頻率。上升時(shí)間是指探頭對步進(jìn)函數(shù)10~90%的響應(yīng)，表明了探頭可以從頭部到示波器輸入傳送的快速測量轉(zhuǎn)換。大多數(shù)探頭，帶寬與上升時(shí)間乘積接近0.35。在很多情況下，帶寬由脈沖上升時(shí)間驗(yàn)證來保證最小失真。
5.2 電容
探頭頭部電容指標(biāo)是指探頭探針上的電容，是探頭等效在被測電路測試點(diǎn)或被測設(shè)備上的電容。探頭對示波器一端也等效成一個電容，這個電容值應(yīng)該與示波器電容相匹配。對10×和100×探頭，這一電容稱為補(bǔ)償電容，它不同于探頭頭部電容。下面將繼續(xù)介紹補(bǔ)償電容。
5.3 畸變(Aberration)
畸變是輸入信號預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會立即發(fā)生畸變，其表現(xiàn)為所謂的“減幅振蕩”。沒有規(guī)定極限畸變的高頻探頭可以提供使人完全誤解的測量。存在畸變可以說明嚴(yán)重失真的帶寬和滾降(roll-off)特性。
6. 最佳示波器探頭的選擇
探頭的特性和特點(diǎn)中最重要的參數(shù)就是帶寬和輸入阻抗，它們既要與示波器的帶寬和輸入阻抗匹配，又要將對被測電路的影響減到最小。因此選擇探頭時(shí)要綜合考慮。
6.1 帶寬和上升時(shí)間
探頭的帶寬或上升時(shí)間要等于或優(yōu)于示波器的帶寬。如果觀察純正弦信號，探頭帶寬等于被測信號頻率的最高值即可;如觀察非正弦信號，探頭帶寬應(yīng)能容納被測信號的基波和最重要諧波分量。為精確地測量脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間，系統(tǒng)的上升時(shí)間(示波器和探頭之和)應(yīng)該比要測量的最快的上升時(shí)間快3-5倍。
6.2 阻抗匹配
探頭的輸入阻抗要與所用示波器的輸入阻抗匹配，另外對被測電路的負(fù)載作用最少。對于低輸入阻抗的示波器，應(yīng)選擇有源探頭或50Ω輸入阻抗的探頭;對于高輸入阻抗的示波器，應(yīng)選擇×10的探頭。例如示波器的輸入阻抗是1MΩ/10pF,探頭輸入阻抗最好是10MΩ/1pF，這樣的探頭既有10倍的信號衰減，對被測信號的負(fù)載很輕，又能與示波器輸入阻抗匹配。
6.3 負(fù)載作用
減輕探頭對被測電路的負(fù)載作用。除了選擇輸入阻抗高的探頭外，還有記住探頭輸入阻抗隨頻率成反比例下降。
6.4 時(shí)間延遲的影響
每種探頭對被測信號的延遲時(shí)間存在差異，在進(jìn)行差分測量以及時(shí)間(或相位)一致性測量時(shí)，最好使用2個型號相同和電纜長度相等的探頭。
6.5 良好的接地
探頭的額定頻率特性是在同軸系統(tǒng)內(nèi)測得的結(jié)果。在實(shí)際電路應(yīng)用時(shí)，往往探頭處于非同軸匹配的系統(tǒng)內(nèi)，因此探頭的接地引線要盡量減短，把串聯(lián)電感減到最小。如發(fā)現(xiàn)高阻探頭接地不良，就要考慮使用低阻同軸探頭或者與探頭匹配的適配器、連接器和夾具。
