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1、示波器探头原理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与分析被测电子电路，如下图：被浏电留探头示波器图1示波器探头的作用探头的选择与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与被测电路；其二:探头就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与测试结果、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。探头被测电举图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与直流偏置。有
2、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R10倍被测源电阻，以维持小于10%的幅度误差。+ 6Vsource门输入是：5V输出电压被分压：5V x110KQ) = 4.5V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。rcbe ! 4prtibe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与阻性负载形成
3、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，需要检查确认就是被测信号的真实特征还就是由于接地线引起的振铃，检查确认的方法就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探头的感性负载二、探头的类型示波器探头大的方面可以分为：无源探头与有源探头两大类。无源有源顾名思义就就是需 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与有源探头简单对比如下表1有源探头与无源探头对比有源探头和高阳无源探头
4、对比有源探头高阻无源探头煲载阻性负载和容性负载 的聂佳史亏高容性负载.低阻性负载带宽高市比低带宽最大输入电压“300V (dc-p&ak al探头尖大或小小和轻价格高任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，但就是 电阻负载非常大，一般只有500ohm或IKohm,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。Piobt Tip “口_口二OidillMCop# Input1 _ -;函口460 a+535 口 OIiTI图6低输入电阻探头结构带补偿的高阻无源探头就是最常用的无源探头，一般示波器标配的探头都就是此类探头。带补偿的高
5、阻无源探头具备较高的输入电阻（一般IMohm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。但就 是不知之处就是输入电容过大 （一般10pf以上），带宽较低（一般500MHz以内）。 scillostc pe- InputCapacitance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。下图的左边就是存在高频或低频增益 ，调整后的补偿信 号显示波形如
6、下图的右边所示。Pro be Tip（匹配低频噎主和高喉增至；图8无源探头的补偿高压探头就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。Probe TipCable5GO M.IMAdju当匕加电 Cwipenaatj&fl CapacitorOacjlloccpeI nputInputCapac itanc e图9高压探头的结构 三、有源探头我们先来观察一下用 600MHz无源探头与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
7、，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，探头通道显示的就是绿色的波形。然后分别测试上升时间，可以瞧出无源探头与有源探头对高速信号的影响。探测前的信号探测后的信号图10无源探头与有源探头对被测信号与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、5G
8、Hz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，但就是价格 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。Probe TipI
9、 no ui0EC11IDSCOP&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，但就是价格相对较高（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
10、测试，适合虚地测试等应用。图12差分探头结构电流探头也就是有源探头，利用霍尔传感器与感应线圈实现直流与交流电流的测量。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 （电流探头就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与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 ，响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
11、饱与。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。I” Btat CurrMtunder Tiesr0VMWRM般，北U晔5 ansem图13电流探头测试直流与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 大部分就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就是感应电流，而不就是补偿电流，功放的输出为线圈提供一个低阻抗的接 地回路。MSupplyCurmrft2arc DatpidN Oulpul Voltag
12、eAC CurranrProbe CaffConductor 指 fEffect of WaflDerfce biminishe-sCurrerrf 博 Indeed from Primary lo eondarytt的匕百必， 6速M A mpfMMrHil PrG3mpJtfier ftw电，加丛少rH 相加 F/Equency 4C Curr9ni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，部分测量就是通过霍尔传感器实现的，另faj Currant Wawfo/FFi 赤v Condi/cfor undar Tssffb
13、j Loir requrnicjr frrformatton frwn Halt Oeytca, Amplified 前句 A口M%d to kiput &tx ,-frrifcj HigfuFrgqu.n 中 reformjrfian fmorn Transtamior AppiieiInput of jA 也 &nua Itu一部分就是通过线圈实现的。J_II_Lftfj PkjJtartf Wtut/ti m $4dji at Fht Qtpur of tfi* N 5Q3A a Combination o?明 and (cj图15电流探头交叉区域的工作原理 四、有源探头附件现代的高带宽
14、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。这样设计的好处就是：1、支持更多的探头附件，使得探测更加的灵活；2、保护投资，最贵的就是探头放大器（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:单端点测与差分点测）；2、焊接探头附件（包括:单端焊接与差分焊接，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，但就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就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就是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
