01示波器探頭概述

圖表 1示波器與探頭

在電子工程師的工具箱里，示波器無疑是最核心的儀器之一。它就像一把“電子世界的放大鏡”，能夠捕捉電路中的瞬態信號，幫助我們看清那些肉眼無法察覺的波形變化。而探頭是示波器測量系統中不可或缺的重要組成部分，它就像示波器感知被測信號的 “觸角”，起到了信號傳輸和匹配的關鍵作用。在電子測量領域，無論是對模擬電路還是數字電路的信號進行觀測分析，探頭都廣泛應用其中。

探頭主要分為有源探頭和無源探頭兩大類。有源探頭內部包含放大器等有源元件，能夠提供更高的帶寬和更低的輸入電容，適用于高頻、低幅度信號的測量。然而，無源探頭因其結構簡單、成本低廉、可靠性高而成為最常見的一種探頭類型。

圖表 2無源探頭

02示波器無源探頭的工作原理

從外觀上看，無源探頭通常由探頭尖端、地線夾、探頭主體以及與示波器相連的接口等部分構成。探頭尖端用于接觸被測電路的測試點，地線夾則確保電路的地與示波器的地良好連接，從而形成完整的信號回路。

當探頭尖端接觸到被測電路的信號點時，被測信號會通過探頭內部的電路傳輸到示波器。在傳輸過程中，無源探頭會對信號進行一定程度的衰減和調整，以使信號能夠在示波器的輸入范圍內并準確地反映真實情況。

探頭內部通常會有一個衰減網絡，一般由電阻和電容組成。例如常見的 10:1 衰減探頭，其內部電路可以使輸入信號的幅值衰減為原來的十分之一，同時對信號的頻率特性等進行相應的匹配調整，確保示波器能夠正確地顯示信號的波形和特征。

此外，探頭還需要與示波器的輸入阻抗進行匹配，以減少信號反射和失真。通常示波器的輸入阻抗是 1MΩ，無源探頭通過內部的阻抗匹配電路，使得整個測量系統的輸入阻抗接近理想狀態，從而獲得準確的測量結果。

03示波器無源探頭的主要參數

1.寬帶

帶寬是無源探頭一個至關重要的參數，它決定了探頭能夠準確測量的信號頻率范圍。例如，一個帶寬為 100MHz 的無源探頭，理論上能夠較好地對頻率在 100MHz 以下的信號進行測量。如果信號頻率超過探頭的帶寬，探頭會對信號產生較大的衰減和失真，導致測量結果不準確。所以在選擇無源探頭時，要根據被測電路中信號的最高頻率來確定合適的帶寬，一般建議探頭的帶寬至少要達到被測信號最高頻率的兩倍以上，以保證測量精度。

但是我們不要忽略示波器與探頭在測試時可以看作一個系統，所以我們需要考慮系統帶寬問題，并且要同時考慮二者的帶寬影響。一般來說，為了充分利用示波器帶寬，在選擇探頭時，其帶寬最好大于等于示波器帶寬。而探頭帶寬并非越高越好，首先，探頭帶寬越高，成本就越高，其次，會引入更多的高頻噪聲，導致信噪比惡化，進而降低測量精度，因此我們選擇探頭時要根據實際應用選擇帶寬足夠而又不過高的探頭。

2.衰減系數

衰減系數表示探頭對輸入信號的衰減程度，常見的有 10:1、100:1 等。10:1 衰減系數的探頭會將輸入信號衰減為原來的十分之一后傳輸到示波器。合適的衰減系數可以幫助將被測信號調整到示波器合適的測量范圍內，同時也能在一定程度上提高測量的抗干擾能力。例如，當被測信號幅值較大時，使用較高衰減系數的探頭可以避免示波器輸入過載，確保示波器的安全和測量的準確性。當我們將探頭連接至示波器輸入通道，大多數情況下示波器會自動檢測連接探頭的衰減比，并將捕獲的信號幅度乘以衰減倍數，直接顯示原始信號值。

和帶寬一樣，衰減比也并非越大越好，因為示波器在將捕獲的信號幅度恢復成原始幅度時，示波器的底噪也會乘以衰減倍數而變大。而示波器的垂直靈敏度也會被探頭衰減比限置，如最小垂直靈敏度為1mV/div的示波器在插上10:1探頭后，其最小垂直靈敏度只能到10mV/div。在這種情況下，很難有效測量mV級別小信號，示波器無法對小信號進行充分放大并提高測量精度。因此，在測量小信號時，盡量選擇衰減比小的探頭，如1：1衰減比無源探頭，一般可用于測量較小的電源紋波。

3.輸入阻抗

在使用探頭測量信號時，探頭自身也成為了信號源的負載，它的阻抗也會成為原始電路中的一部分。輸入阻抗是指探頭在連接到被測電路時呈現給被測電路的總阻抗，它對被測電路的影響至關重要。理想情況下，探頭的輸入阻抗應盡可能高，以減小對被測電路的負載效應。一般來說，無源探頭的輸入阻抗主要包括電阻分量和電容分量。電阻分量通常在兆歐級，如常見的 1MΩ。電容分量則會影響信號的高頻特性。如果輸入阻抗過低，會從被測電路中吸取較大的電流，導致信號源的輸出電壓下降，測量結果出現誤差。同時，電容分量還可能會與示波器輸入端和被測電路的電容相互作用，引起信號的高頻衰減和失真，所以在對高頻信號進行測量時，需要對探頭的輸入電容進行補償調節，使整個測量系統的頻率響應更加平坦，以獲得準確的測量結果。

04示波器無源探頭的使用方法

01 進行探頭補償調節

除了輸入電阻之外，所有示波器還具有特定的固有電容。此電容一般較低，通常為數十微微法拉。這不會給直流測量造成問題。這在交流測量中非常重要，因為隨著頻率增加，輸入電容開始起到低通濾波器的作用，而探頭補償用于將示波器的固有輸入電容與探頭尖端的電容相匹配，這將有效減少所測信號的幅度和脈沖波形誤差。

如果探頭未經補償或補償不佳則會導致測量不準確，包括幅度不準確，以及波形失真，特別是信號的上升和下降邊沿失真；如前面所述，探頭補償主要是針對高頻交流成分進行補償，所以當信號頻率增加時，探頭補償不佳會導致的測量不準確性更大。

幾乎所有示波器都具有一般以 1000 Hz 頻率運行的內置方波發生器。此發生器通常標為“Probe Comp.”，并且使用方波和接地符號表示。

圖表 5 Probe Comp.

1將探頭尖端連接至方波源，探頭接地線接地：

圖表 6 補償步驟1

2然后使用絕緣螺絲刀或工具調整電容，直到方波補償信號盡可能呈矩形：

圖表 7 補償步驟2

3補償信號的頂端基本呈水平時，表明探頭得到適當補償。過補償探頭會在信號的上升沿產生過沖，而欠補償探頭會在信號的上升沿產生下沖。

圖表 8 探頭補償示例

對于過補償或欠補償探頭，補償電容會進行調整直至波形具有良好的方形邊緣。通常這只需稍加轉動即可。

請注意，方波或矩形波具有高頻和低頻分量，因此可用于探頭補償。

應該在首次使用探頭或執行重要測量之前補償探頭。由于不同示波器的輸入電容各異，因此將探頭用于不同的示波器時也需要進行補償。在同一示波器的不同端口之間移動探頭通常無需進行補償。但是，頻率信號越高，探頭補償越重要。

02 正確連接地線

在使用無源探頭之前，首先要確保地線連接正確。將探頭的地線夾牢固地夾在被測電路的接地位置上，盡量使地線夾靠近被測信號點，以減少地線的電感和電阻帶來的影響，降低測量誤差。同時，要檢查地線是否完好無損，避免因地線接觸不良導致信號不穩定或測量結果不準確。

03 選擇合適的衰減系數

根據被測信號的幅值大小，選擇合適的衰減系數。如果信號幅值較大，可以使用較大衰減系數的探頭，如 100:1，這樣可以將信號衰減到示波器合適的測量范圍內。如果信號幅值較小，則選擇較小衰減系數的探頭如 10:1，以保證信號在示波器上能夠清晰地顯示出來。在連接探頭到示波器后，一般情況下還需要在示波器上設置對應的探頭衰減系數，以便示波器能夠正確地對信號進行測量和顯示。

但是在某些情況下，示波器可以檢測出是 1x 還是 10x 探頭，并自動調整設置。這是因為許多 10x 探頭在示波器側都有一個金屬探針，如果金屬探針與示波器輸入端的感應環接觸，示波器即知道正在使用 10x 探頭。

部分探頭可以通過移動側邊上的開關以用作 1x 或 10x 探頭。此類探頭被稱為可切換探頭。使用可切換探頭時，如果未自動檢測到探頭衰減，確保相應調整示波器設置。

05示波器無源探頭的常見故障及解決方法

1信號失真

如果在測量過程中發現示波器顯示的信號波形失真，可能是由于探頭的帶寬不足、輸入電容未補償好或者探頭損壞等原因導致的。首先可以檢查探頭的帶寬是否滿足被測信號的要求，如果帶寬不夠，需要更換更高帶寬的探頭。然后檢查探頭是否已經進行了正確的補償調節，重新進行補償調節操作。如果經過這些操作后信號仍然失真，可能需要檢查探頭內部的電路是否損壞，如電阻、電容等元件是否出現故障，必要時可以更換探頭。

2信號衰減異常：

當發現示波器顯示的信號幅值明顯偏離實際預期值時，可能是探頭的衰減系數設置不正確或者探頭內部的衰減網絡出現故障。首先要檢查示波器上設置的探頭衰減系數是否與實際使用的探頭衰減系數一致，如果不一致，需要進行相應的調整。如果設置正確，可以嘗試更換探頭或者檢查探頭內部的電阻、電容等元件是否正常，以確定是否存在故障。

3探頭尖端損壞：

在使用過程中，如果探頭尖端受到撞擊、擠壓或者過度磨損，可能會導致尖端損壞。損壞的探頭尖端會影響與被測信號點的接觸質量，從而導致信號不穩定或者測量誤差增大。對于損壞的探頭尖端，應及時進行更換，以確保測量的準確性和可靠性。

總之，示波器無源探頭雖然看似簡單，但它是電子測量中不可或缺的重要工具。了解其工作原理、參數、正確使用方法以及常見故障處理，對于準確地進行電子電路信號測量和分析具有重要的意義，能夠幫助工程師和技術人員更好地開展電子設備的研發、調試和維護等工作。

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