示波器探头的作用是什么

　　示波器因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围，使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路，如下图：
　　
　　图 1 示波器探头的作用
　　探头的选择和使用需要考虑如下两个方面：
　　其一：因为探头有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路；
　　其二：探头是整个示波器测量系统的一部分，会直接影响仪器的信号保真度和测试结果
　　探头的负载效应
　　当探头探测到被测电路后，探头成为了被测电路的一部分。探头的负载效应包括下面 3 部分：
　　1. 阻性负载效应；
　　2. 容性负载效应；
　　3. 感性负载效应。
　　
　　图 2 探头的负载效应
　　阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻，对被测信号有分压的作用，影响被测信号的幅度和直流偏置。有时，加上探头时，有故障的电路可能变得正常了。一般推荐探头的电阻 R》10 倍被测源电阻，以维持小于 10%的幅度误差。
　　
　　图 3 探头的阻性负载
　　容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容，对被测信号有滤波的作用，影响被测信号的上升下降时间，影响传输延迟，影响传输互连通道的带宽。有时，加上探头时，有故障的电路变得正常了，这个电容效应起到了关键的作用。一般推荐使用电容负载尽量小的探头，以减小对被测信号边沿的影响。
　　
　　图 4 探头的容性负载
　　感性负载来源于探头地线的电感效应，这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振，从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃，需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃，检查确认的方法是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的地线，一般地线电感=1nH/mm。
　　
　　图 5 探头的感性负载

　　探头的类型
　　示波器探头大的方面可以分为：无源探头和有源探头两大类。无源有源顾名思义就是需不需要给探头供电。
　　无源探头细分如下：
　　1. 低阻电阻分压探头；
　　2. 带补偿的高阻无源探头（最常用的无源探头）；
　　3. 高压探头
　　有源探头细分如下：
　　1. 单端有源探头；
　　2. 差分探头；
　　3. 电流探头
　　最常用的高阻无源探头和有源探头简单对比如下：
　　
　　表 1 有源探头和无源探头对比
　　示波器探头原理
　　低阻电阻分压探头具备较低的电容负载（《1pf），较高的带宽（》1.5GHz），较低的价格，但是电阻负载非常大，一般只有 500ohm 或 1Kohm，所以只适合测试低源阻抗的电路，或只关注时间参数测试的电路。
　　
　　图 6 低输入电阻探头结构
　　带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头，一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻（一般 1Mohm 以上），可调的补偿电容，以匹配示波器的输入，具备较高的动态范围，可以测试较大幅度的信号（几十幅以上），价格也较低。但是不知之处是输入电容过大（一般 10pf 以上），带宽较低（一般 500MHz 以内）。
　　
　　图 7 常用的无源探头结构
　　带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容，当接上示波器时，一般需要调整电容值（需要使用探头自带的小螺丝刀来调整，调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置），以与示波器输入电容匹配，以消除低频或高频增益。下图的左边是存在高频或低频增益，调整后的补偿信号显示波形如下图的右边所示。
　　
　　图 8 无源探头的补偿
　　高压探头是带补偿的无源探头的基础上，增大输入电阻，使得衰减加大（如：100:1 或 1000:1 等）。因为需要使用耐高压的元器件，所以高压探头一般物理尺寸较大。
　　
　　图 9 高压探头的结构

　　有源探头
　　我们先来观察一下用 600MHz 无源探头和 1.5GHz 有源探头测试 1ns 上升时间阶跃信号的影响。使用脉冲发生器产生一个 1ns 的阶跃信号，通过测试夹具后，使用 SMA 电缆直接连接到一个 1.5GHz 带宽的示波器上，这样示波器上会显示一个波形（如下图中的兰色信号），把这个波形存为参考波形。然后使用探头点测测试夹具去探测被测信号，通过 SMA 直连的波形因为受探头负载的影响而变成黄色的波形，探头通道显示的是绿色的波形。然后分别测试上升时间，可以看出无源探头和有源探头对高速信号的影响。
　　
　　图 10 无源探头和有源探头对被测信号和测量结果的影响
　　具体测试结果如下：
　　使用 1165A 600MHz 无源探头，使用鳄鱼嘴接地线：受探头负载的影响，上升时间变为：1.9ns；探头通道显示的波形存在振铃，上升时间为：1.85ns;
　　使用 1156A 1.5GHz 有源探头，使用 5cm 接地线：受探头负载的影响较小，上升时间仍为：1ns；探头通道显示的波形与原始信号一致，上升时间仍为：1ns。
　　单端有源探头结构图如下，使用放大器实现阻抗变换的目的。单端有源探头的输入阻抗较高（一般达 100Kohm 以上），而输入电容较小（一般小于 1pf），通过探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用 50ohm 输入阻抗。有源探头带宽宽（现在可达 30GHz），而负载小，但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的 10%左右），动态范围较小（这个需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试。一般动态范围 5V 左右），比较脆弱，使用需小心。
　　
　　图 11 有源探头结构
　　差分探头结构图如下，使用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分探头的输入阻抗较高（一般达 50Kohm 以上），而输入电容较小（一般小于 1pf），通过差分探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用 50ohm 输入阻抗。差分探头带宽非常宽（现在可达 30GHz），负载非常小，具有较高共模抑制比，但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的 10%左右），动态范围也较小（这个需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试。一般动态范围 3V 左右），比较脆弱，使用需小心。
　　差分探头适合测试高速差分信号（测试时不用接地），适合放大器测试，电源测试，适合虚地测试等应用。
　　
　　图 12 差分探头结构
　　电流探头也是有源探头，利用霍尔传感器和感应线圈实现直流和交流电流的测量。电流探头把电流信号转换成电压信号，示波器采集电压信号，再显示成电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流，使用时需要引出电流线（电流探头是把导线夹在中间进行测试的，不会影响被测电路）。
　　电流探头在测试直流和低频交流时的工作原理：
　　当电流钳闭合，把一通有电流的导体围在中心时，相应地会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电动势。电流探头根据这个电动势产生一个反向（补偿）电流送至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，以防止饱和。电流探头根据反向电流测得实际的电流值。用这个方法，能够非常线性的测量大电流，包括交直流混合的电流。
　　
　　图 13 电流探头测试直流和低频时的工作原理
　　电流探头在测试高频时的工作原理：
　　随着被测电流频率的增加，霍尔效应逐渐减弱，当测量一个不含直流成分的高频交流电流时，大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。此时，探头就像一个电流变压器，电流探头直接测量的是感应电流，而不是补偿电流，功放的输出为线圈提供一个低阻抗的接地回路。
　　
　　图 14 电流探头测试高频时的工作原理
　　电流探头在交叉区域时的工作原理：
　　当电流探头工作在 20KHz 的高低频交叉区域时，部分测量是通过霍尔传感器实现的，另一部分是通过线圈实现的。
　　
　　图 15 电流探头交叉区域的工作原理
　　有源探头附件
　　现代的高带宽有源探头都采用分离式的设计方法，即：探头放大器与探头附件部分分开。这样设计的好处是：
　　1、支持更多的探头附件，使得探测更加的灵活；
　　2、保护投资，最贵的是探头放大器（一个探头放大器可以支持多种探测方式，以前需要几个探头来实现）；同时探头附件保护探头放大器（探头附件即使损坏，价格也相对便宜）；
　　3、这种设计方式容易实现高带宽。
　　
　　图 16 探头附件
　　这些探头附件，主要包括以下几种：
　　1、点测探头附件（包括：单端点测和差分点测）；
　　2、焊接探头附件（包括：单端焊接和差分焊接，分离式的 ZIF 焊接）；
　　3、插孔探头附件；
　　4、差分 SMA 探头附件（示波器一般直接支持 SMA 连接，但是如果被测信号需要上拉如 HDMI，则必须使用 SMA 探头附件）。
　　探头附件的电路结构如下图所示：
　　1、在探头附件尖端部分会有一对阻尼电阻（一般 82ohm），这对阻尼电阻的作用是消除探头附件尖端部分的电感的谐振影响；
　　2、探头尖端部分的后面是 25Kohm 的电阻，这个电阻决定了探头的输入阻抗（直流输入阻抗即电阻：单端 25Kohm，差分 50Kohm），这个电阻使得被测信号传输到探头放大器部分的功率是非常小的，不至于对被测信号有较大影响。
　　3、25Kohm 的电阻后面是同轴传输线部分，这个传输线负责把小信号传输到放大器。这个传输线的长度可以很长，也可以很短，中间可以加衰减器，也可以加耦合电容。