示波器探头原理

示波器是我们电子工程师的左膀右臂，把示波器玩好玩精是我们的必备技能之一。对于探头，我们常用它来测量时间、频率和电压值等物理量。而古人早就教育我们不仅要知其然，更要知其所以然。因此仅仅会玩是不够的，弄清楚探头的工作原理对于更好地使用示波器来说更是尤为重要。

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

一、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

要想弄明白这个问题，首先我们先看看示波器的设计原理：

波形首先要通过探头，经由前端的放大器进行放大，之后由模数转换单元进行转换，进而存储到采集内存中，然后显示到显示器上。

然后我们将示波器的探头拆开，来看一看里面的构造。在连接示波器的一端有一个BNC接口，如果你不使用BNC接头而是直接用两根线将信号引入示波器的话，你会看到到信号发生了失真，一个方波进去，显示出的却是锯齿波！这究竟是什么原因呢？

示波器一般输入阻抗都比较高，为了降低对被测电路的影响。因此你会在探头BNC接口的后面看到一个1M欧姆的电阻或类似的电路。这样外部较小的电容值也会使得输入处形成一个滤波器，从而使得被测波形失真。如何解决这个问题就要看探头的处理方式了！

一般来说，示波器的探头都会用一个并联的可调电容器来抵消掉这部分线缆的影响。有些补偿电容器可以让我们自己调节，并选择最好的效果。示波器上都会有一个方波源，我们将探头钩在信号源上，并调节电容器以使得屏幕上显示出来的方波成为最标准的“方波”。电容量过大会使得探头形成低通滤波器，而相反则变成高通滤波器。因此要仔细调节才行。

而探头上一般还会有一个衰减器，对被测信号进行衰减。其倍数一般为10倍。1V的信号进去，显示出100mV。部分示波器可以自动识别探头的状态并显示正确的数值。

探头利用高阻抗的特性来保证电路不受到测量部分的干扰，但有些时候我们需要以低阻抗的测试方式来对某些电路进行测量。比如50欧姆阻抗的射频输出电路，对于有50欧姆阻抗测量功能的机器来说，这就是按一下按键的问题；但是对于普通的示波器来说，这时候探头就不适合测量了。你需要用BNC三通和50欧的末端电阻来进行匹配，并在另一端直接连接到50欧姆的输出端。