示波器因為有探頭的存在而擴展了示波器的應用范圍，使得示波器可以在線測試和分析被測電子電路，如圖 1 所示。

圖 1 示波器探頭的作用

探頭的選擇和使用需要考慮兩方面：

1. 因為探頭有負載效應，探頭會直接影響被測信號和被測電路。

2. 探頭是整個示波器測量系統(tǒng)的一部分，會直接影響儀器的信號保真度和測試結果。

探頭的負載效應

當探頭探測到被測電路后，探頭成為了被測電路的一部分。

探頭的負載效應可分為三類：

阻性負載效應。容性負載效應。感性負載效應。

圖 2 探頭的負載效應

1 阻性負載

阻性負載相當于在被測電路上并聯(lián)了一個電阻，對被測信號有分壓的作用，影響被測信號的幅度和直流偏置。有時，加上探頭時，有故障的電路可能變得正常了。一般推薦探頭的電阻 R>10 倍被測源電阻，以維持小于 10%的幅度誤差。

圖 3 探頭的阻性負載

2 容性負載

容性負載相當于在被測電路上并聯(lián)了一個電容，對被測信號有濾波的作用，影響被測信號的上升下降時間，影響傳輸延遲，影響傳輸互連通道的帶寬。有時，加上探頭時，有故障的電路變得正常了，這個電容效應起到了關鍵的作用。一般推薦使用電容負載盡量小的探頭，以減小對被測信號邊沿的影響。

圖 4 探頭的容性負載

3 感性負載

感性負載來源于探頭地線的電感效應，這地線電感會與容性負載和阻性負載形成諧振，從而使顯示的信號上出現(xiàn)振鈴。如果顯示的信號上出現(xiàn)明顯的振鈴，需要檢查確認是被測信號的真實特征還是由于接地線引起的振鈴，檢查確認的方法是使用盡量短的接地線。一般推薦使用盡量短的地線。

地線電感=1nH/mm

圖 5 探頭的感性負載

探頭的分類

示波器探頭大的方面可以分為：無源探頭和有源探頭兩大類。

無源探頭

無源探頭細分：低阻電阻分壓探頭、帶補償?shù)母咦锜o源探頭(最常用的無源探頭)、高壓探頭。

低阻電阻分壓探頭：

低阻電阻分壓探頭具備較低的電容負載(<1pf)，較高的帶寬(>1.5GHz)，較低的價格，但是電阻負載非常大，一般只有 500ohm 或 1Kohm，所以只適合測試低源阻抗的電路，或只關注時間參數(shù)測試的電路。

圖 6 低輸入電阻探頭結構

帶補償?shù)母咦锜o源探頭：

帶補償?shù)母咦锜o源探頭是最常用的無源探頭，一般示波器標配的探頭都是此類探頭。帶補償?shù)母咦锜o源探頭具備較高的輸入電阻(一般 1Mohm 以上)，可調的補償電容，以匹配示波器的輸入，具備較高的動態(tài)范圍，可以測試較大幅度的信號(幾十幅以上)，價格也較低。但是不知之處是輸入電容過大(一般 10pf 以上)，帶寬較低(一般 500MHz 以內)。

圖 7 常用的無源探頭結構

帶補償?shù)母咦锜o源探頭有一個補償電容，當接上示波器時，一般需要調整電容值（需要使用探頭自帶的小螺絲刀來調整，調整時把探頭連接到示波器補償輸出測試位置），以與示波器輸入電容匹配，以消除低頻或高頻增益。圖 8 的左邊是存在高頻或低頻增益，調整后的補償信號顯示波形如圖 8 的右邊所示。

圖 8 無源探頭的補償

高壓探頭：

高壓探頭是帶補償?shù)臒o源探頭的基礎上，增大輸入電阻，使得衰減加大(如，100:1 或 1000:1 等)。因為需要使用耐高壓的元器件，所以高壓探頭一般物理尺寸較大。

圖 9 高壓探頭的結構

有源探頭

單端有源探頭、差分探頭、電流探頭。

先來觀察一下用 600MHz 無源探頭和 1.5GHz 有源探頭，測試 1ns 上升時間階躍信號的影響。使用脈沖發(fā)生器產生一個 1ns 的階躍信號，通過測試夾具后，使用 SMA 電纜直接連接到一個 1.5GHz 帶寬的示波器上，這樣示波器上會顯示一個波形(圖 10 中的藍色信號)，把這個波形存為參考波形。

然后使用探頭點測測試夾具去探測被測信號，通過 SMA 直連的波形因為受探頭負載的影響而變成黃色的波形，探頭通道顯示的是綠色的波形。然后分別測試上升時間，可以看出無源探頭和有源探頭對高速信號的影響。

圖 10 無源探頭和有源探頭對被測信號和測量結果的影響

具體測試結果如下：

1. 使用 1165A 600MHz 無源探頭，使用鱷魚嘴接地線。受探頭負載的影響，上升時間變?yōu)椋?.9ns；探頭通道顯示的波形存在振鈴，上升時間為：1.85ns。

2. 使用 1156A 1.5GHz 有源探頭，使用 5cm 接地線。受探頭負載的影響較小，上升時間仍為：1ns；探頭通道顯示的波形與原始信號一致，上升時間仍為：1ns。

單端有源探頭：

單端有源探頭結構如圖 11 所示，使用放大器實現(xiàn)阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高(一般達 100Kohm 以上)，而輸入電容較小(一般小于 1pf)，通過探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用 50ohm 輸入阻抗。有源探頭帶寬寬(現(xiàn)在可達 30GHz)，而負載小，但是價格相對較高(一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的 10%左右)，動態(tài)范圍較小，比較脆弱，使用需小心。需要注意，因為超過探頭動態(tài)范圍的信號，不能正確測試，一般動態(tài)范圍 5V 左右。

圖 11 單端有源探頭結構

差分探頭：

差分探頭結構如圖 12 所示，使用差分放大器實現(xiàn)阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高（一般達 50Kohm 以上），而輸入電容較?。ㄒ话阈∮?1pf)，通過差分探頭放大器后連接到示波器，示波器必須使用 50ohm 輸入阻抗。差分探頭帶寬非常寬（現(xiàn)在可達 30GHz），負載非常小，具有較高共模抑制比，但是價格相對較高（一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的 10%左右)，動態(tài)范圍也較?。ㄟ@個需要注意，因為超過探頭動態(tài)范圍的信號，不能正確測試。一般動態(tài)范圍 3V 左右），比較脆弱，使用需小心。

差分探頭適合測試高速差分信號（測試時不用接地），適合放大器測試，電源測試，適合虛地測試等應用。

圖 12 差分探頭結構

電流探頭：

電流探頭也是有源探頭，利用霍爾傳感器和感應線圈實現(xiàn)直流和交流電流的測量。電流探頭把電流信號轉換成電壓信號，示波器采集電壓信號，再顯示成電流信號。電流探頭可以測試幾十毫安到幾百安培的電流，使用時需要引出電流線（電流探頭是把導線夾在中間進行測試的，不會影響被測電路）。

無源探頭與有源探頭對比

表 1 有源探頭和無源探頭對比