摘要：電子產品日益復雜，市場對示波器的帶寬和準確性提出更高要求。這不是購買一臺高檔示波器就能解決的問題，還需搭配適合的探頭和正確的測試方法。本文從探頭的原理出發，講述如何正確選擇和使用探頭。
一、認識示波器探頭
被測信號不可能直接接入到示波器中，這就需要一個設備為測試點與示波器之間建立電氣連接。根據需求不同，這個設備可以是一個導線，也可能是較為復雜的電路。這個負責勾連測試點與示波器的設備就是示波器探頭。所以示波器探頭至關重要，沒有探頭示波器將無法進行測量。
圖1
上圖為示波器探頭測量時的示意圖，從上圖可知，示波器一般具有三個典型的部分，探頭頭部、探頭電纜和探頭補償設備。其中探頭頭部的作用是與測試點直接接觸，從而與被測系統產生電氣連接，最終獲取到需要測量的信號。探頭電纜的作用則是使示波器和探頭頭部彼此不互相干涉，可以做到在不移動示波器的前提下，隨意移動探頭頭部，使之可以方便的與測試點接觸。最后的探頭補償設備，主要是為了盡量消除探頭電纜帶來的負面影響，從一定程度上保持探頭的測量準確性。
由探頭的基本結構可知，探頭是不可能被看為一個透明的設備，一定會有很多性能上的限制，比如探頭電纜和補償設備決定了探頭的帶寬，又比如探頭中的器件尺寸也決定了探頭的輸入電壓。所以探頭會有一些基本的參數。在此歸納一下：
1、衰減系數
衰減系數，是所有探頭都會有的一個參數，指的是探頭使信號幅度下降的程度。某些探頭可能會有可選擇的衰減系數。典型的衰減系數有1×、10×和100×。1×探頭表示不會對信號進行衰減。10×則表示信號會被衰減10倍再輸入示波器。1×、10×這些名稱的由來，是因為之前的示波器沒有自動識別探頭衰減系數和自動調節的能力，所以需要通過1×、10×這些名稱來提醒測試者記得要把測量出來的結果乘以相應的倍數。
2、帶寬
帶寬也同樣是一個探頭必備的參數，指的是探頭導致信號衰減-3dB情況下的頻率點。如下圖所示：
圖2
如100MHz探頭就有100MHz帶寬，500MHz探頭就有500MHz帶寬。一些探頭，還會有一個低頻的帶寬頻率，比如一些AC探頭，不能傳遞DC信號，它在低頻段會有一個帶寬參數。值得一提的是，帶寬指的是-3dB的頻譜，此時信號被測量出的幅度只有真實信號的70.7%，所以測量者需要考慮對這個結果是否可以被接受，否則就需要使用更高帶寬的探頭。
3、上升時間
帶寬指的是對單一正弦波的測量，如果需要測量的是方波，則需要考慮探頭的上升時間，該參數是探頭在階躍信號激勵的輸入下，輸出信號從10%上升至90%所需的時間。這個參數實際上是用來進行評估誤差范圍的。比如被測試方波信號的上升沿的上升時間為10ns，則經過一個上升時間為3.5ns的探頭，最終輸出的上升時間就大致為：
上升時間退化了5.9%。
如果此時改用0.7ns的探頭，則輸出的上升時間為：
上升時間僅僅退化了0.24%。所以測量時，就需要盡量選擇上升時間遠小于被測信號上升時間的探頭，一般需要3~5倍。
4、最大輸入電壓
最大輸入電壓是指探頭可以輸入的最大額定值的電壓。最大輸入電壓取決于探頭機身和探頭內部器件的額定擊穿電壓。一般該項會通過一些安規規范來給出，而不是給出單一的電壓，比如一般10×的無源探頭的最大輸入電壓為300VRMS CAT Ⅱ。其中CAT Ⅱ 指的是一類測試場景，300VRMS CAT Ⅱ指的是在這類測試場景下可以測量的最大電壓。而且這個電壓并不是一個恒定值。而是會隨著頻率的變化而變化。一般探頭會給出自己的電壓額定曲線，如下圖所示：
圖3
5、輸入電容
輸入電容就是從探頭的探頭頭部端測量出的電容。對于有源探頭，該電容包括探頭探針的寄生電容和探頭內部電路中的電容。對于一些無源探頭，還要包括探頭電纜的寄生電容和示波器本身的電容。該電容值越小，一般說明探頭可測量的頻率越高。
6、輸入電阻
探頭的輸入電阻是探頭的探頭頭部端測量出的電阻，該值是在DC情況下測量出來的。對于無源探頭來說，衰減比例越大，探頭的輸入電阻越高。
7、示波器補償范圍
多數無源探頭都是一種通用的設備，而在不同示波器之間，甚至在同一臺示波器不同通道之間都會有所差異。探頭為了兼容這些差異，就會自帶一個補償網絡，用來補償不同示波器間的差異。如果補償不足或者補償過度，就會導致測量結果出現錯誤。而這個補償網絡是一定會有一個能夠調整的范圍的，這個范圍就是示波器補償范圍。一般的無源探頭的示波器補償范圍為10~35pF。
8、電纜長度
每個探頭都必須有一段探頭電纜，這是為了更加方便的進行測量。而這段電纜會造成一定的信號傳播延時。例如，1m左右的探頭電纜，大概會有5ns的延時。對于10MHz的信號，這會造成大概20°左右的延時。電纜越長，會導致相位信號延遲越長。而這個延時一般情況下不會對測量造成影響，因為在一定帶寬范圍內，這個延時并不會跟隨信號頻率變化而變化，所以不會造成群延時的失真。只有在兩個以上通道一起測量時，傳輸延時才會產生影響，特別是當電壓探頭與電流探頭一起進行功率測量時，不同探頭之間的延時就會造成很大的影響。所以測量之前需要根據電纜長度來推算大致的延時。如果延時過大，則需要使用示波器內的延時校準功能。
二、常見探頭種類
常見探頭分類如下圖所示：
圖4 示波器探頭分類
其中無源探頭常見的有1×、10×、100×三種規格，一般情況下，1×探頭多為低帶寬探頭，適用于測量低頻低電壓的信號，100×探頭耐壓值一般較高，適用于一些高壓測量情景，而10×探頭的帶寬一般都比較高，適用于較高速信號的測量。
有源探頭中，高速差分探頭適用于高速信號的測量，其帶寬很高，而且探頭負載效益很小，但是一般都價格昂貴。高壓差分探頭一般適用于對高壓場合的測試，與無源探頭相比，不僅輸入電壓更高，一般都在1000V以上，而且由于其兩根測量線對地阻抗都非常高，使其可以直接進行非接地測量，比如在測量市電時，無源探頭的地線必須接到市電的地線上，只能測量L或者N與地線之間的電壓，而高壓差分探頭卻可以進行任意兩線間的測量。電流探頭用于對電流進行測量，有些電流探頭只能測量交流，有些也可以進行直流測量。
三、探頭的使用注意事項
在探頭的使用上，還需要考慮一些問題：
1、安全
使用探頭進行測量時，最重要的就是安全問題。比如使用無源探頭時，探頭的地線與示波器的地是連接在一起的，當示波器安全接地的時候，探頭是安全的。但是當示波器沒有安全接地時，探頭的地線就會存在一定的電壓從而給使用者帶來危險。具體情況如圖5所示：
圖5
圖6 示波器接地
由于Y電容的原因，導致原本的接地點電壓就不在是0V，而是L與N之間電壓的一半也就是110V電壓，這個電壓會對人體進行傷害。所以示波器的測量過程中，一定要保證接地良好，或者采用隔離變壓器進行完全的安全隔離，否則有可能會導致使用者觸電。
而且此時如果探頭的地線是接到了一個比較高的電壓上，比如說市電的火線上時，就會導致整個示波器外殼都帶有220V高壓，這時人再觸碰示波器時就會發生直接觸電，這種情況非常危險，相當于直接將手插入市電插排。
圖7
2、連接順序
探頭通過示波器電源線的地線間接接地，而被測系統可能是一個懸浮的系統，為避免危險，地線必須先連接到地上，將示波器與被測系統共地，然后才能將探頭探針點在測試點上。而當斷開探頭時，也要先斷開探針，然后再斷開地線。
3、阻抗
使用探頭時，需要考慮與示波器的匹配問題。常見的無源探頭，一般需要示波器的阻抗檔位是1MΩ阻抗。而一些有源探頭則是需要50Ω阻抗。使用探頭前，要看說明書上對應阻抗的說明，來選擇相應的示波器檔位與之匹配。
4、帶寬
當使用探頭進行測量時，整個系統的帶寬就是由探頭帶寬和示波器帶寬兩部分組成的，其中任何一個帶寬不足，都會導致最終測量結果不能達到要求。比如選用一個100M的探頭配套一個500M的示波器，那么帶寬最多也就只有100M左右，這樣就無法發揮500M示波器的帶寬優勢。所以合理選擇示波器與探頭，才能讓測試帶寬達到要求。
5、電壓
選擇探頭時，還需要考慮測試信號的電壓，一方面要保證測試電壓不要高于探頭的最大輸入電壓，另一方面也要保證探頭輸出的信號在示波器的可測量范圍內。這需要測試者根據測試信號的電壓來選擇探頭。比如要測量600Vpp的電壓信號，就需要選擇耐壓值超過600Vpp的探頭，而一般示波器最大測量電壓是80V，所以需要選擇一個衰減比大于8的探頭。而如果需要測量的信號是10mVpp的電壓信號，則就需要采用無衰減的探頭進行測量。
6、地線的影響
傳統的使用習慣上，示波器的接地方式就是那根長長的接地夾線。這種接地方式，確實是一種簡單方便的接地方式，但是卻并不是一種嚴謹的、準確的接地方式。
圖8 接地夾線示意圖
由于地夾線比較長，其會形成一個寄生電感Lgnd，隨著夾線的增長，這個電感也會增大，而這個回路電感會和示波器探頭的輸入電容Cin產生諧振。這就導致示波器的幅頻特性變得不平坦，導致測量不準確。下圖為使用接地夾時的等效電路。
圖9 接地夾線等效電路圖
下圖為用該等效電路仿真出的頻譜特性曲線：
圖10 頻譜特性曲線
可以看出，在60MHz以上的頻率，幅度已經產生了超過3dB的過沖，而到達100M左右時，過沖到最大幅度。所以如果采用地夾，測量超過60MHz的信號就會產生比較大的失真。正確的方式應該是采用接地彈簧。接地彈簧具有非常小的電感，可以大大提升探頭的帶寬。
圖11 接地彈簧示意圖
而且使用彈簧，也會減小接地環路面積，大大較小空間噪聲的輻射干擾。
7、補償電容的調節
對于10×無源探頭，其等效模型如下圖所示。
圖12探頭等效電路
其中C1和Cline1是示波器和通訊電纜的寄生電容，是無法去除的。由于R2的原因，勢必會產生一個低通濾波器，這就導致探頭無法通過高頻信號。為了提高探頭帶寬，探頭中會加入C2，來進行補償。
計算可得該系統的零點：
系統極點為：
只有使得這兩個點重合，才能讓探頭帶寬得以平坦。而示波器的輸入電容C1和通訊電纜的電容Cline1都有一定的變化范圍，所以必須加入一個可調電容Cadj來進行匹配。實際使用時，需要通過這個可調電容來將探頭帶寬調節平坦。具體方式是將探頭鏈接到示波器的校準片上，然后通過調節探頭補償裝置上的調節器，將方波調節平坦。下圖為調節圖例。當屏幕上的波形變為方波時，表示探頭調節成功。
圖13 探頭補償示意圖
8、探頭的負載效應
前文提到過，探頭都是具有輸入電容和輸入電阻的，這就導致其并不能當成一個阻抗無窮大的設備，其測量時的等效模型如下圖所示。
圖14
根據電路知識可知，對于直流信號而言，與未接入探頭前相比，Vout會有所下降，因為現在的負載不再是RL，而是RL與Rin并聯后的電阻，這勢必小于原來的電阻RL。而對于交流信號而言，還需要在并聯上一個電容Cin產生的阻抗。而這個阻抗會隨著頻率的增加而逐漸減小。這就是有些情況下探頭點上去，電路無法正常工作的原因。在使用探頭測量時，需要評估探頭的負載效應對被測試系統產生的影響。比如一般的1×探頭，輸入電容高達150pF左右，如果接入到一個50Ω系統中，會產生一個40M左右的低通濾波器，如果被測信號接近或者高于這個頻率時，就會導致被測系統工作異常。進行高頻測量時，探頭的輸入電容越小，對系統產生的影響也就越小。
四、總結
探頭在示波器測量系統中，至關重要。ZDS4000示波器具有很優越的各項性能，同時標配了性能優異的無源探頭，但是探頭的使用上存在著很多需要注意的事項，為了能正確的發揮示波器的性能，使用者需要了解這些，才能即安全又準確的得到測量結果。