數(shù)字示波器是電子工程師使用最廣泛的一種測試測量儀器,，從測試系統(tǒng)的角度來看，數(shù)字示波器系統(tǒng)包括主機和探頭兩主要組成部分,，示波器探頭與主機的關(guān)系就好比汽車與輪子,，汽車車身通過輪子才能接觸到地面，才能發(fā)揮行駛的功能,，示波器主機也是通過探頭才能接觸到信號,，才能執(zhí)行信號采集與測試的功能。缺少輪子的汽車就是一堆廢鐵,，沒有探頭的示波器也只能是個擺設(shè),。示波器探頭不僅僅是把測試信號送進示波器輸入端的一根導(dǎo)線，而且是儀器系統(tǒng)的重要組成部分,。根據(jù)特性和應(yīng)用場合的不同,，探頭可以分成很多類型號，以適應(yīng)各種不同信號測試的需要,。其中一類稱為有源探頭,，其內(nèi)部包含有源電子元件（主要是晶體管）可以提供信號放大能力，不含有源器件的探頭稱為無源探頭,，其中只包含無源器件如電阻電容等,。這類探頭通常只能對信號進行衰減。我們可以繼續(xù)將有源和無源探頭分成更專門的類別型號,，我將通過系列文章來介紹每種探頭的工作原理,、應(yīng)用場合和使用注意事項。
首先是闡述所有類型探頭共有的一些特性,。
探頭屏蔽
工程師賦予示波器探頭的一個重要使命就是確保只有希望觀測的信號才能通過它顯示在示波器屏幕上,，如果我們僅僅使用一根導(dǎo)線來代替探頭,，那它的作用就好象是一根天線，可以從無線廣播,，移動電話,、電機、50或60Hz的電源的交流聲甚至當(dāng)?shù)貥I(yè)余無線電愛好者那里接收到很多不希望的干擾信號,，這些噪聲甚至還能反向注入到被測電路中使信號發(fā)生畸變，所以我們首先需要的是能夠提供屏蔽功能的電纜,，良好設(shè)計的示波器探頭的屏蔽電纜通過探頭尖端的接地線和被測電路連接,，從而保證了很好的噪聲抑制性能,。
探頭帶寬
大家都了解示波器通道帶寬的定義，輸入正弦波信號幅度被降低到-3dB(0.707倍)時對應(yīng)的頻率即對應(yīng)示波器模擬帶寬這個指標(biāo),，決定這個指標(biāo)的是前端放大器件的性能,。同樣探頭也具有有限的模擬帶寬。如果把示波器作為一個系統(tǒng)來考察,，其總體帶寬由主機帶寬和探頭帶寬共同決定,，更專業(yè)的數(shù)學(xué)公式表明了這種關(guān)聯(lián)性：
圖1 探頭帶寬相關(guān)公式
以上公式中，Tr(display)表示實際測量到的信號上升時間,，等于示波器上升時間,、探頭上升時間和源信號上升時間的正交和。而系統(tǒng)的上升時間與帶寬的乘積為一常數(shù),，對系統(tǒng)函數(shù)為1階的模型而言,，該常數(shù)經(jīng)驗值為0.35,對于更高階的模型該常數(shù)介于0.35 ~ 0.5之間。 我們可以推導(dǎo)出這四者帶寬之間的關(guān)系,。從以上公式我們還可以推導(dǎo)出：如果我們使用一臺100MHz的示波器和一個100MHz的探頭,，那么它們組成的系統(tǒng)帶寬就小于100MHz，內(nèi)在的因素是因為探頭的電容和示波器的輸入電容相加,，更大的電容導(dǎo)致更小的系統(tǒng)帶寬,，加大了顯示在示波器屏幕上信號的上升時間tr。
繼續(xù)討論： tr(ns)=350/BW(MHz)
如果示波器和探頭各自均為100MHz帶寬,，其上升時間均為tr=3.5ns ,。則有效系統(tǒng)上升時間就由下式給出：
trsystem=sqr(t2rscope+t2rprobe)
=sqr(3.52+3.52)ns
=sqr(24.5)2ns
=4.95ns
根據(jù)4.95ns的系統(tǒng)上升時間求得,，系統(tǒng)帶寬為350/4.95MHz=70.7MHz。
從上述的計算可以看出,，探頭帶寬比示波器主機帶寬越高,，整個系統(tǒng)帶寬就越接近主機帶寬，所以力科公司推薦用戶應(yīng)配備盡可能高帶寬探頭,，以提升整個測試系統(tǒng)帶寬,。
示波器探頭負載效應(yīng)
當(dāng)我們進行信號測量時,，我們常常以為測得的電壓和電路中未連入示波器時是完全一樣的,，實際則不然。打個比方,，我們用溫度計去度量火焰的溫度,，溫度計未靠近時火焰溫度50攝氏度，靠近后溫度計要從火焰中汲取熱量,，自身溫度升高而火焰溫度降低為49度,，溫度計反映出來的溫度值就為49度，很明顯有1度的測量誤差,，這個誤差正是因為引入測量系統(tǒng)后帶來的,。
實際上，每個示波器探頭都有其輸入阻抗,，這個阻抗是特性阻抗,，不僅是因為電阻造成的，還包含了電容和電感等因素,。由于探頭引入的額外負載,，所以探頭接入被測電路后，會從信號中汲取能量,，實際上就會影響被測電路,，最惡劣的后果就是電路本來是正常工作的，引入示波器探頭后卻不正常了,，工程師就容易得出與事實相反的結(jié)論,。因此我們分析測量結(jié)果時必須考慮探頭的負載特性以及測試電路的阻抗匹配性。
有些示波器探頭里沒有串聯(lián)的電阻,，這類探頭主要就由一段電纜和一個測試頭構(gòu)成,，因此，在其有用帶寬之內(nèi),，探頭對信號沒有衰減作用,。這類探頭稱為1：1或X1探頭。由于這類探頭在測試點處將其自身的電容（包括電纜的電容）與示波器的輸入阻抗連在了一起,，所以這種探頭具有負載效應(yīng),。見圖2,。
圖2 X1探頭結(jié)構(gòu)模型
當(dāng)信號頻率升高時，探頭的容性負載效應(yīng)就變得更加顯著,。由于電纜的類型和長度的不同以及探頭本身構(gòu)造等原因,，1：1探頭的輸入電容通常可以從大約35pF到100pF以上,，這等于給被測電路施加了一個低阻抗負載,，具有47pF輸入電容1：1探頭在20MHz之下的電抗僅為169W，這就使得這個探頭在此頻率無法使用,。
我們可以在探頭中增加一個和示波器輸入阻抗相串聯(lián)的阻抗,，用這種辦法就可以減小探頭的負載效應(yīng)。然而,，這就意味著輸入電壓不能完全加到示波器的輸入端,，因為我們現(xiàn)在已經(jīng)引入了一個電阻分壓結(jié)構(gòu)。
圖3給出了電阻分壓的探頭等效電路,，Rp和Rs構(gòu)成了一個10：1的分壓器,，Rs為示波器的輸入阻抗。調(diào)節(jié)補償電容C3使得探頭和示波器通道RC乘積相匹配,，這樣就能保證在探頭的尖端獲得正確的頻率響應(yīng)曲線,，并且這種探頭的頻率響應(yīng)比1：1探頭頻率響應(yīng)要寬得多。
圖3 10：1無源探頭結(jié)構(gòu)模型
示波器探頭最大輸入電壓
多數(shù)通用10：1探頭的構(gòu)造使這些探頭適合于最大輸入電壓為峰值300V或400V的情況下使用,，所以這些探頭可以用于信號電平高達數(shù)百伏的廣泛的應(yīng)用場合,，對于需要測量更高電壓的場面合，我們推薦使用電壓額定值更高的100：1或1000：1衰減探頭,。
探頭自動識別能力
現(xiàn)代示波器探頭都支持編碼能力,，使得示波器主機能夠識別與它相連接的探頭類型和特性參數(shù)。 從而使示波器能夠自動重構(gòu)所有幅度測量結(jié)果以避免發(fā)生泥淆,。而如果使用不帶這種識別系統(tǒng)的探頭,，則用戶就不得不自己為所有波形顯示和測量結(jié)果重新定義以便反映出探頭的衰減量。力科PP系列高阻抗無源探頭即能被自動識別出阻抗和衰減比,，示波器軟件在還原信號時也會自動對信號電壓重新定標(biāo)以確保顯示的波形幅度與真實情況一致,。
探頭接地引線
探頭接地引線實質(zhì)可以等效為電感效應(yīng)，接地引線電感與探頭及示波器的輸入電容形成串聯(lián)諧振電路,。而探頭的輸入電阻則在諧振電路中引入阻尼,。電感效應(yīng)會造成阻抗不匹配，而且是帶寬越大影響就越大,。等效電感的大小與接地線長度有關(guān),，其越長電感效應(yīng)就越大，對波形的破壞效應(yīng)就是會產(chǎn)生脈沖信號的振蕩,、過沖等信號完整性問題帶有接地引線電感的示波器探頭等效電路及效應(yīng)如下圖4,。
圖4 探頭接地引線電感效應(yīng)
舉例來說：
從以上分析可以清楚的看到接地引線電感對測量結(jié)果的影響,，所以一定要使探頭的接地引線盡可能的短，特別是在測高頻和快速上升沿的信號時尤應(yīng)注意,。
探頭安全接地
為保證操作者在使用示波器時的人身安全,，多數(shù)示波器都通過電源線與安全地線相連。被測信號有可能和地線具有相同的參考電位,，但并非必然如此,，因此在連接探頭的地線時，一定要注意不要因此而把被測系統(tǒng)的某一部分短路,。另一方面,，既使被測系統(tǒng)和示波器的地線具有相同的參考電位，這也并不意味著可以用安全地線來作信號返回通路,，這是由于安全地線連接走線很長,，具有很大的引線電感，因此不適合作信號返回通路,。這時一定要用探頭的接地引線來作為信號的參考地線。
示波器探頭類型
以上內(nèi)容探討了通用示波器探頭的基本特性,，在接下來的探頭系列文章中我將給大家介紹每種類型探頭的具體工作原理,、應(yīng)用場合和使用注意事項，也感謝各位的持續(xù)關(guān)注,。