一、示波器探頭電路圖

我們可以把探頭模型簡單等效為一個(gè)R、L、C電路，把這個(gè)模型與被測(cè)電路放在一起，如下圖所示：

如上圖所示，Rprobe是探頭的輸入電阻，為了盡可能減少探頭對(duì)被測(cè)電路的影響，要求探頭本身的輸入電阻Rprobe越大越好，但是Rprobe是不可能做到無窮大的，所以就會(huì)和被測(cè)電路產(chǎn)生分壓，使得實(shí)測(cè)電壓比實(shí)際電壓小。為了避免探頭電阻負(fù)載造成的影響，一般要求Rprobe要大于Rsource和Rload的10倍以上。大部分探頭的輸入阻抗在幾十K歐姆到幾十兆歐姆之間。

Cprobe是探頭本身的輸入電容。這個(gè)電容不是刻意做進(jìn)去的，而是探頭的寄生電容。這個(gè)寄生電容也是影響探頭帶寬的最重要因素，因?yàn)檫@個(gè)電容會(huì)衰減高頻成分，把信號(hào)的上升沿變緩。通常高帶寬的探頭寄生電容都比較小。理想情況下Cprobe 應(yīng)該為0，但是實(shí)際做不到。一般無源探頭的輸入電容在10pf 至幾百pf 間，帶寬高些的有源探頭輸入電容一般在0.2pf 至幾pf 間。

Lprobe是探頭導(dǎo)線的寄生電感，通常 1mm 探頭的地線會(huì)有大約 1nH 的電感，信號(hào)和地線越長，電感值越大。探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，當(dāng)電感值太大時(shí)，在輸入信號(hào)的激勵(lì)下就有可能產(chǎn)生高頻諧振，造成信號(hào)的失真。所以高頻測(cè)試時(shí)需要嚴(yán)格控制信號(hào)和地線的長度，否則很容易產(chǎn)生振鈴。

在使用示波器時(shí)，需要對(duì)示波器測(cè)量通道的耦合方式和輸入阻抗進(jìn)行設(shè)置，耦合方式有AC和DC兩種，輸入阻抗有1MΩ和50Ω兩種。示波器的探頭種類很多，但是示波器的的匹配永遠(yuǎn)只有1M 歐姆或50歐姆兩種選擇，不同種類的探頭需要不同的電阻與之匹配。示波器輸入接口的電路示意圖如下圖所示：

測(cè)量普通信號(hào)時(shí)一般用DC耦合方式，測(cè)試電源的紋波/噪聲時(shí)需要使用AC耦合方式，示波器接有源探頭時(shí)，輸入阻抗會(huì)自動(dòng)切換到50Ω檔位，接無源探頭時(shí)需要手動(dòng)切換到1MΩ檔位。

從電壓測(cè)量的角度來說，為了減小對(duì)被測(cè)電路的影響，示波器應(yīng)采用1MΩ的高輸入阻抗，但是由于高阻抗電路的帶寬很容易受到寄生電容的影響。所以 1MΩ的輸入阻抗廣泛應(yīng)用于 500M 帶寬以下的測(cè)量。對(duì)于更高頻率的測(cè)量，通常采用50Ω的傳輸線，所以示波器50歐姆匹配主要用于高頻測(cè)量。

為了更好的說明示波器輸入阻抗及寄生電容對(duì)測(cè)量通道帶寬的影響，我們將電路圖從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，如下圖所示：

如上圖所示，示波器輸入通道寄生電容的等效阻抗為1/（2πfc），在低頻情況下，1/（2πfc）的值非常大，無電流通過C，示波器的輸入阻抗等于R的值，但是，隨著信號(hào)頻率的提高，寄生電容的等效阻抗1/（2πfc）越來越小，所以，在高頻信號(hào)下，寄生電容對(duì)示波器的輸入阻抗影響非常大，此時(shí)示波器的輸入阻抗為R//［1/（2πfc）］。為了降低寄生電容在高頻信號(hào)下對(duì)示波器的輸入阻抗的影響，所以在測(cè)試高頻信號(hào)時(shí)，示波器的輸入阻抗都設(shè)置為50Ω。

二、示波器探頭原理

在絕大多數(shù)示波器測(cè)量環(huán)境下，我們都需要使用探頭。示波器探頭有很多種，內(nèi)部原理構(gòu)造迥異，使用方法也各不相同。本文主要給大家介紹示波器探頭的工作原理。

對(duì)于DC直流或一般低頻信號(hào)而言，示波器探頭只是一個(gè)由特定阻抗R所形成的一段傳輸線纜。而隨著待測(cè)信號(hào)頻率的增加和不規(guī)則性，示波器探頭在測(cè)量過程中會(huì)引入寄生電容C以及電感L，寄生電容會(huì)衰減信號(hào)的高頻成分，使信號(hào)的上升沿變緩。寄生電感則會(huì)與寄生電容一起構(gòu)成諧振回路，使信號(hào)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。所有這些都會(huì)對(duì)我們測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性帶來挑戰(zhàn)。

探頭電氣特性示意圖

示波器探頭按供電方式分可分為無源探頭和有源探頭。無源探頭又分為無源低壓、無源高壓及低阻傳輸線探頭等，有源探頭又分為有源單端、有源差分、高壓差分探頭等。此外，在一些特殊應(yīng)用下，還會(huì)使用到電流探頭（AC、DC）、近場(chǎng)探頭、邏輯探頭以及各類傳感器（光、溫度、振動(dòng)）探頭等。

原則上來說，任何一款能夠?qū)⒏魑锢砹哭D(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并具備與示波器互連能力的傳感器都可以作為示波器探頭，用戶可以根據(jù)具體使用環(huán)境和需求選擇適合的探頭類型。

以上示波器探頭的電路圖和原理圖由普科科技/PRBTEK整理分享， 西安普科電子科技有限公司致力于示波器測(cè)試附件配件研發(fā)、生產(chǎn)、銷售，涵蓋產(chǎn)品包含電流探頭、差分探頭、高壓探頭、無源探頭、電源紋波探頭、柔性電流探頭、近場(chǎng)探頭、邏輯探頭、功率探頭和光探頭等。旨在為用戶提供高品質(zhì)的探頭附件，打造探頭附件國產(chǎn)化知名品牌。更多信息，歡迎登錄普科科技網(wǎng)站進(jìn)行咨詢。

審核編輯黃宇