常見探頭種類
常見探頭分類如下圖所示：
其中無源探頭常見的有1×、10×、100×三種規(guī)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(fù)載效益很小，但是一般都價(jià)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(jìn)行非接地測量，比如在測量市電時(shí)，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(jìn)行任意兩線間的測量。電流探頭用于對電流進(jìn)行測量，有些電流探頭只能測量交流，有些也可以進(jìn)行直流測量。
探頭的使用注意事項(xiàng)
在探頭的使用上，還需要考慮一些問題：
1、安全
使用探頭進(jìn)行測量時(shí)，最重要的就是安全問題。比如使用無源探頭時(shí)，探頭的地線與示波器的地是連接在一起的，當(dāng)示波器安全接地的時(shí)候，探頭是安全的。但是當(dāng)示波器沒有安全接地時(shí)，探頭的地線就會存在一定的電壓從而給使用者帶來危險(xiǎn)。具體情況如下圖所示：
示波器接地
由于y電容的原因，導(dǎo)致原本的接地點(diǎn)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(gè)電壓會對人體進(jìn)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(jìn)行*的安全隔離，否則有可能會導(dǎo)致使用者觸電。
而且此時(shí)如果探頭的地線是接到了一個(gè)比較高的電壓上，比如說市電的火線上時(shí)，就會導(dǎo)致整個(gè)示波器外殼都帶有220v高壓，這時(shí)人再觸碰示波器時(shí)就會發(fā)生直接觸電，這種情況非常危險(xiǎn)，相當(dāng)于直接將手插入市電插排。
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(tǒng)可能是一個(gè)懸浮的系統(tǒng)，為避免危險(xiǎn)，地線必須先連接到地上，將示波器與被測系統(tǒng)共地，然后才能將探頭探針點(diǎn)在測試點(diǎn)上。而當(dāng)斷開探頭時(shí)，也要先斷開探針，然后再斷開地線。
3、阻抗
使用探頭時(shí)，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(yīng)阻抗的說明，來選擇相應(yīng)的示波器檔位與之匹配。
4、帶寬
當(dāng)使用探頭進(jìn)行測量時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)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(gè)帶寬不足，都會導(dǎo)致最終測量結(jié)果不能達(dá)到要求。比如選用一個(gè)100m的探頭配套一個(gè)500m的示波器，那么帶寬最多也就只有100m左右，這樣就無法發(fā)揮500m示波器的帶寬優(yōu)勢。所以合理選擇示波器與探頭，才能讓測試帶寬達(dá)到要求。
5、電壓
選擇探頭時(shí)，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(nèi)。這需要測試者根據(jù)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，而一般示波器測量電壓是80v，所以需要選擇一個(gè)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(jìn)行測量。
6、地線的影響
傳統(tǒng)的使用習(xí)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(shí)是一種簡單方便的接地方式，但是卻并不是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?zhǔn)確的接地方式。
接地夾線示意圖
由于地夾線比較長，其會形成一個(gè)寄生電感l(wèi)gnd，隨著夾線的增長，這個(gè)電感也會增大，而這個(gè)回路電感會和示波器探頭的輸入電容cin產(chǎn)生諧振。這就導(dǎo)致示波器的幅頻特性變得不平坦，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。下圖為使用接地夾時(shí)的等效電路。
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：
頻譜特性曲線
可以看出，在60mhz以上的頻率，幅度已經(jīng)產(chǎn)生了超過3db的過沖，而到達(dá)100m左右時(shí)，過沖到幅度。所以如果采用地夾，測量超過60mhz的信號就會產(chǎn)生比較大的失真。正確的方式應(yīng)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。
接地彈簧示意圖
而且使用彈簧，也會減小接地環(huán)路面積，大大較小空間噪聲的輻射干擾。
7、補(bǔ)償電容的調(diào)節(jié)
對于10×無源探頭，其等效模型如下圖所示。
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(chǎn)生一個(gè)低通濾波器，這就導(dǎo)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(jìn)行補(bǔ)償。
計(jì)算可得該系統(tǒng)的零點(diǎn)：
系統(tǒng)極點(diǎn)為：
只有使得這兩個(gè)點(diǎn)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(gè)可調(diào)電容cadj來進(jìn)行匹配。實(shí)際使用時(shí)，需要通過這個(gè)可調(diào)電容來將探頭帶寬調(diào)節(jié)平坦。具體方式是將探頭鏈接到示波器的校準(zhǔn)片上，然后通過調(diào)節(jié)探頭補(bǔ)償裝置上的調(diào)節(jié)器，將方波調(diào)節(jié)平坦。下圖為調(diào)節(jié)圖例。當(dāng)屏幕上的波形變?yōu)榉讲〞r(shí)，表示探頭調(diào)節(jié)成功。
探頭補(bǔ)償示意圖
8、探頭的負(fù)載效應(yīng)
前文提到過，探頭都是具有輸入電容和輸入電阻的，這就導(dǎo)致其并不能當(dāng)成一個(gè)阻抗無窮大的設(shè)備，其測量時(shí)的等效模型如下圖所示。
根據(jù)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?yàn)楝F(xiàn)在的負(fù)載不再是rl，而是rl與rin并聯(lián)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(lián)上一個(gè)電容cin產(chǎn)生的阻抗。而這個(gè)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(diǎn)上去，電路無法正常工作的原因。在使用探頭測量時(shí)，需要評估探頭的負(fù)載效應(yīng)對被測試系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。比如一般的1×探頭，輸入電容高達(dá)150pf左右，如果接入到一個(gè)50ω系統(tǒng)中，會產(chǎn)生一個(gè)40m左右的低通濾波器，如果被測信號接近或者高于這個(gè)頻率時(shí)，就會導(dǎo)致被測系統(tǒng)工作異常。進(jìn)行高頻測量時(shí)，探頭的輸入電容越小，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也就越小。