走近示波器的无源探头

在电子工程师的工具箱里，示波器无疑是最核心的仪器之一。它就像一把“电子世界的放大镜”，能够捕捉电路中的瞬态信号，帮助我们看清那些肉眼无法察觉的波形变化。而探头是示波器测量系统中不可或缺的重要组成部分，它就像示波器感知被测信号的 “触角”，起到了信号传输和匹配的关键作用。在电子测量领域，无论是对模拟电路还是数字电路的信号进行观测分析，探头都广泛应用其中。

探头主要分为有源探头和无源探头两大类。有源探头内部包含放大器等有源元件，能够提供更高的带宽和更低的输入电容，适用于高频、低幅度信号的测量。然而，无源探头因其结构简单、成本低廉、可靠性高而成为最常见的一种探头类型。 

示波器无源探头的工作原理

从外观上看，无源探头通常由探头尖端、地线夹、探头主体以及与示波器相连的接口等部分构成。探头尖端用于接触被测电路的测试点，地线夹则确保电路的地与示波器的地良好连接，从而形成完整的信号回路。

当探头尖端接触到被测电路的信号点时，被测信号会通过探头内部的电路传输到示波器。在传输过程中，无源探头会对信号进行一定程度的衰减和调整，以使信号能够在示波器的输入范围内并准确地反映真实情况。

探头内部通常会有一个衰减网络，一般由电阻和电容组成。例如常见的 10:1 衰减探头，其内部电路可以使输入信号的幅值衰减为原来的十分之一，同时对信号的频率特性等进行相应的匹配调整，确保示波器能够正确地显示信号的波形和特征。 

此外，探头还需要与示波器的输入阻抗进行匹配，以减少信号反射和失真。通常示波器的输入阻抗是 1MΩ，无源探头通过内部的阻抗匹配电路，使得整个测量系统的输入阻抗接近理想状态，从而获得准确的测量结果。

示波器无源探头的主要参数

1.宽带

带宽是无源探头一个至关重要的参数，它决定了探头能够准确测量的信号频率范围。例如，一个带宽为 100MHz 的无源探头，理论上能够较好地对频率在 100MHz 以下的信号进行测量。如果信号频率超过探头的带宽，探头会对信号产生较大的衰减和失真，导致测量结果不准确。所以在选择无源探头时，要根据被测电路中信号的最高频率来确定合适的带宽，一般建议探头的带宽至少要达到被测信号最高频率的两倍以上，以保证测量精度。

但是我们不要忽略示波器与探头在测试时可以看作一个系统，所以我们需要考虑系统带宽问题，并且要同时考虑二者的带宽影响。一般来说，为了充分利用示波器带宽，在选择探头时，其带宽最好大于等于示波器带宽。而探头带宽并非越高越好，首先，探头带宽越高，成本就越高，其次，会引入更多的高频噪声，导致信噪比恶化，进而降低测量精度，因此我们选择探头时要根据实际应用选择带宽足够而又不过高的探头。

2.衰减系数

衰减系数表示探头对输入信号的衰减程度，常见的有 10:1、100:1 等。10:1 衰减系数的探头会将输入信号衰减为原来的十分之一后传输到示波器。合适的衰减系数可以帮助将被测信号调整到示波器合适的测量范围内，同时也能在一定程度上提高测量的抗干扰能力。例如，当被测信号幅值较大时，使用较高衰减系数的探头可以避免示波器输入过载，确保示波器的安全和测量的准确性。当我们将探头连接至示波器输入通道，大多数情况下示波器会自动检测连接探头的衰减比，并将捕获的信号幅度乘以衰减倍数，直接显示原始信号值。

和带宽一样，衰减比也并非越大越好，因为示波器在将捕获的信号幅度恢复成原始幅度时，示波器的底噪也会乘以衰减倍数而变大。而示波器的垂直灵敏度也会被探头衰减比限置，如最小垂直灵敏度为1mV/div的示波器在插上10:1探头后，其最小垂直灵敏度只能到10mV/div。在这种情况下，很难有效测量mV级别小信号，示波器无法对小信号进行充分放大并提高测量精度。因此，在测量小信号时，尽量选择衰减比小的探头，如1：1衰减比无源探头，一般可用于测量较小的电源纹波。

3.输入阻抗

在使用探头测量信号时，探头自身也成为了信号源的负载，它的阻抗也会成为原始电路中的一部分。输入阻抗是指探头在连接到被测电路时呈现给被测电路的总阻抗，它对被测电路的影响至关重要。理想情况下，探头的输入阻抗应尽可能高，以减小对被测电路的负载效应。一般来说，无源探头的输入阻抗主要包括电阻分量和电容分量。电阻分量通常在兆欧级，如常见的 1MΩ。电容分量则会影响信号的高频特性。如果输入阻抗过低，会从被测电路中吸取较大的电流，导致信号源的输出电压下降，测量结果出现误差。同时，电容分量还可能会与示波器输入端和被测电路的电容相互作用，引起信号的高频衰减和失真，所以在对高频信号进行测量时，需要对探头的输入电容进行补偿调节，使整个测量系统的频率响应更加平坦，以获得准确的测量结果。