示波器探頭是示波器使用過程中不可或缺的一部分，它主要是作爲承載信號傳輸的鏈路，將待測信號完整可靠的傳輸至示波器，以進一步進行測量分析。很多工程師很看重示波器的選擇，卻容易忽略對示波器探頭的甄別。試想如果信號經過前端探頭就已經失真，那再完美的示波器所測得的數據也會有誤。所以正確瞭解探頭性能，有效規避探頭使用誤區對我們日常使用示波器來說至關重要！
在絕大多數示波器測量環境下，我們都需要使用探頭。示波器探頭有很多種，內部原理構造迥異，使用方法也各不相同。本文主要給大家介紹示波器探頭的種類及工作原理，探頭使用過程注意事項以及如何選擇示波器探頭。
1 示波器探頭種類及工作原理
對於DC直流或一般低頻信號而言，示波器探頭只是一個由特定阻抗R所形成的一段傳輸線纜。而隨着待測信號頻率的增加和不規則性，示波器探頭在測量過程中會引入寄生電容C以及電感L，寄生電容會衰減信號的高頻成分，使信號的上升沿變緩。寄生電感則會與寄生電容一起構成諧振迴路，使信號產生諧振現象。所有這些都會對我們測量信號的準確性帶來挑戰。
圖1 探頭電氣特性示意圖
示波器探頭按供電方式分可分爲無源探頭和有源探頭。無源探頭又分爲無源低壓、無源高壓及低阻傳輸線探頭等，有源探頭又分爲有源單端、有源差分、高壓差分探頭等。此外，在一些特殊應用下，還會使用到電流探頭（AC、DC）、近場探頭、邏輯探頭以及各類傳感器（光、溫度、振動）探頭等。
無源探頭是最常用的一類電壓探頭，也是我們在購買示波器時標配贈送的探頭。如圖2所示。
圖2 無源探頭示意圖
無源探頭一般使用通用型BNC接口與示波器相連，所以大多數廠家的無源探頭可以在不同品牌的示波器上通用（某些廠家特殊接口標準的探頭除外），但由於示波器一般無法自動識別其他品牌的探頭類型，所以此時需要手動在示波器上設置探頭衰減比，以保證示波器在測量時正確補償探頭帶來的信號衰減。
圖3所示爲日常最爲常見的一類無源探頭原理示意圖，它由輸入阻抗Rprobe、寄生電容Cprobe、傳輸導線（一般1至1.5米左右）、可調補償電容Ccomp組成。此類無源探頭一般輸入阻抗爲10MΩ，衰減比因子爲10：1。
圖3無源探頭原理圖
在使用此類探頭時，示波器的輸入阻抗會自動設置爲高阻1MΩ。此時示波器BNC通道輸入點的電壓Vscope與探頭前端所探測的電壓值Vprobe的關係滿足以下對應關係：
Vprobe/Vscope = (9MΩ + 1MΩ) / 1MΩ = 10 : 1
由關係式可知，示波器得到的電壓是探頭探測到電壓的十分之一，這也是無源探頭10：1衰減因子的由來。無源探頭具備高阻抗10MΩ，因此它對待測電路的負載效應（將在第二部分詳述）很小，能覆蓋一般低頻頻段（500MHz以內），耐壓能力強（300V-400Vrms），價格便宜，通用性好，所以得到廣泛使用。
當無源探頭的衰減因子爲100：1、1000：1甚至更高時，此類探頭一般歸類爲無源高壓探頭。由於其衰減比很大，因此能測量高壓、超高壓電信號。
圖4 R&S RT-ZH10高壓探頭
還有一類無源探頭，其衰減比爲1：1，信號未經衰減直接經過探頭傳輸至示波器，其耐壓能力不及其它無源探頭，但它具備測試小信號的優勢。由於不像10：1衰減比探頭那樣信號需要示波器再放大10倍顯示，所以示波器內部噪聲未放大，測量噪聲更小，此類更適用於測試小信號或電源紋波噪聲。
圖5 R&S HZ-154 1:1/10:1可調衰減比無源探頭
無源傳輸線探頭是另一類特殊的無源探頭，其特點是輸入阻抗相對較低，一般爲幾百歐姆，支持帶寬更高，可達數GHz以上。圖6爲輸入阻抗爲500Ω的10：1無源傳輸線探頭原理圖：
圖6傳輸線探頭原理圖
傳輸線探頭具備低寄生電容，低輸入阻抗的特性，一般用來測量高頻信號。在使用傳輸線探頭時應該注意將示波器輸入阻抗設置爲50Ω，以與傳輸線50Ω阻抗相匹配，傳輸線探頭的典型應用爲測量50Ω傳輸線上的電信號，通過SMA-N等不同的轉換接頭，傳輸線探頭也可用在頻譜分析儀等其它測試設備上。
圖7傳輸線探頭的典型應用
需要注意的是，由於傳輸線探頭的低阻抗，它的負載效應會比較明顯。因此，此類探頭僅適用於與低輸出阻抗（幾十至100歐姆）的電路測試。對於更高輸出阻抗的電路，我們可以選擇使用高阻有源探頭的方案，將在後續詳述。
介紹完無源探頭，我們接下來看看有源探頭。顧名思義，有源探頭區別於無源探頭最大的特點是“有源”，即它需要提供電源才能工作。如今大多數有源探頭都配備有特殊藉口，通過與示波器連接從示波器獲得電源，而不需要額外提供外置電源（某些型號除外）。下圖所示爲有源單端探頭原理圖：
有源單端探頭一般具備高阻抗（1MΩ上下），低寄生電容。其前端有一個高帶寬的放大器，有源探頭的供電主要用於此放大器。放大器驅動信號經過50Ω傳輸線到達示波器，示波器的輸入阻抗需選擇爲50Ω作匹配。由於其較低的寄生電容和50歐姆傳輸，有源單端探頭可以提供比無源探頭更高的帶寬，因此主要應用在高頻信號的測量領域。
優點和缺點往往是並存的，有源單端探頭亦是如此。能夠測量更高帶寬的信號是其優點，但由於需要集成有源放大器，因而其成本相對於無源探頭來說更高，一個幾GHz帶寬的有源單端探頭價格可達數萬人民幣。除此之外，由於高帶寬放大器的信號輸入範圍十分有限，因而其動態範圍有限，一般有源單端探頭的動態範圍僅在幾伏範圍之內，探頭所能承受的最大電壓也只有幾十伏。
相對於前面所說的無源傳輸線探頭，有源單端探頭同樣可以應用在低阻抗高頻率信號的測量環境，且由於其輸入阻抗相對於無源傳輸線探頭更高，因此它的負載效應更小。不僅如此，R&S有源單端探頭還可以與RT-ZA9（N型轉換接頭，USB供電）附件連接，進而用在射頻信號源和頻譜分析儀上，用來測試特殊環境下的信號，如傳統50歐姆同軸線纜無法連接的探測點處，或者需要使用高阻探頭探測待測點信號頻譜時。
圖10 R&S RT-ZS系列單端有源探頭與RT-ZA9 N型轉換頭相連
除了有源單端探頭之外，有源差分探頭是另外一類重要的有源探頭。我們可以從字面上來理解這兩種探頭的區別，有源單端的前端有兩處連接點：信號點和地。有源差分顧名思義主要用來測試差分信號，探頭前端有三處連接點：信號正、信號負、地。
圖11 有源單端探頭前端（左）與有源差分探頭前端（右）
有源差分探頭的原理圖如下：
圖12有源差分探頭原理圖
與有源單端探頭相比，其最大不同在於使用了差分放大器。有源差分探頭同樣具備低寄生電容和高帶寬特性，所不同的是，有源差分探頭具有高共模抑制比（CMRR），對共模噪聲的抑制能力比較強。有源差分探頭主要用來測試差分信號，即測試兩路信號（一般爲相位相差180度的正反信號）的相對電壓差，與地無關。
圖13差分信號測試原理示意圖
上圖顯示了用有源差分探頭測試差分信號的原理，圖中紅色波形顯示的爲差分信號Vin+，藍色波形顯示爲差分信號Vin-，二者幅度相同，相位相差180度。Vin+和Vin-經由差分探頭正、負探測點探測後經過差分放大器放大，然後傳輸至示波器，最後得到如圖綠色差分波形。
這裏要介紹幾個概念，以便大家能夠更好的理解共模抑制比CMRR。
共模（Common Mode）：差分信號兩端具有相同幅度和相位的信號成分，用表達式表示爲Vcm =（Vin+ + Vin-）/2.
由於理想的Vin+、Vin-幅度相同，相位相反，所以二者相加應該爲零。但在實際工作環境下，Vin+、Vin-上會疊加上噪聲干擾Vnoise。由於Vin+、Vin-所處環境相同，因而在二者上疊加的噪聲也往往相同，所以由CM表達式可知：CM = Vnoise.
差模（Differential Mode）：差分信號兩端不同的信號成分，用表達式表示爲Vdm = Vin+ - Vin-.
共模抑制（Common Mode Rejection）：差分放大器對共模信號的抑制能力，即差分放大器的一項主要能力是對Vnoise進行抑制消除。如果共模電壓Vcm經過差分放大器的增益爲Acm，差模電壓Vdm經過差分放大器的增益爲Adm，則我們可以用共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio）即CMRR來表示共模抑制能力，其表達式爲：
CMRR = Adm / Acm
舉例如下圖：差模信號Vdm幅度爲1V，經過差分放大器後幅度爲2V，即Adm = 2. 共模信號Vcm幅度爲4.5V，經過差分放大器後幅度抑制爲0.45V，即Acm=0.1. 因此，CMRR = 2 / 0.1 = 20：1 = 26dB。
圖14 差分信號測試舉例
對於理想的差分放大器而言，我們希望其完全抑制共模信號，從而消除噪聲Vnoise對差分信號測量的影響。對於一般的差分信號測量而言，20dB的CMRR已經足夠，而R&S RT-ZD40的CMRR可達50dB，性能非常優異。
圖15 R&S RT-ZD40有源差分探頭
值得一提的是，R&S的有源單端探頭和有源差分探頭上都配備了MicroButton多功能按鈕和ProbeMeter探頭計功能。其中，MicroButton是位於有源探頭前段的一個微型按鈕，用戶可以在測試時很方便的按動按鈕，從而執行對示波器的特定控制（可自定義），如：自動設置、默認設置、單次運行、連續運行等。
圖16 MicroButton多功能按鈕
ProbeMeter則是集成在有源探頭前端的16位DC電壓計，可用來直接在探頭點處測試直流電壓，這與其他廠家使用探頭捕獲波形然後輸送到示波器，進而對波形進行測量得到DC數值的方案完全不同。很顯然，ProbeMeter摒除了探頭傳輸的失真影響，從而具備了0.1%的高精準度。在使用差分探頭時，可以藉助此功能方便快捷查看單端、共模、差模電壓數值。
圖17 ProbeMeter探頭電壓計
有源差分探頭可用於絕大多數較小幅度差分信號的測量，但對於幅度達上百甚至上千幅的高壓差分信號而言，有源查分探頭就顯得力不從心了。此時我們只能藉助於高壓差分探頭的幫忙，相對於一般差分探頭而言，高壓差分探頭具有更高的動態範圍，能夠承受更高的電壓。
圖18 R&S RT-ZD01 ±1400V 高壓差分探頭
高壓差分探頭相對於無源高壓探頭而言價格昂貴，因此有用戶在測試高壓差分信號時會選擇將示波器的電源接地線剪斷，使示波器“浮起來”進行測試，這是非常危險的，一定要杜絕此類行爲。我們將在第二部分詳細說明。
電流探頭嚴格意義上說也屬於有源探頭的一種，幾乎所有的電流探頭在使用過程中都需要供電。電流探頭主要分爲三類：AC（僅能測試交流電）、DC（僅能測試直流電）、AC+DC。而目前大多數電流探頭都具備了AC+DC的測量功能。
電流探頭的原理如下，主要是利用電磁效應（AC測量）和霍爾效應（DC測量）。
圖19 AC+DC電流探頭原理圖
當有AC電流經過導線穿過電流探頭的前段閉合鉗口時，會有相應磁場產生，通過磁場的強弱直接感應到電流探頭的線圈。探頭就象一個電流變壓器，系統直接測量的是感應電流。
如果是DC或者低頻電流，當電流鉗閉合後，電流導線附近會出現一個磁場。磁場使霍爾傳感器內的電子發生偏轉，在霍爾傳感器的輸出產生一個電壓。系統根據這個電壓產生一個反相（補償）電流至電流探頭的線圈，使電流鉗中的磁場爲零，防止磁飽和。系統根據反相電流測得實際得電流值。
電流探頭的選擇主要依據其測量帶寬、量程以及鉗口直徑等。
MSO數字邏輯探頭在數字邏輯測試中會經常使用，與一般8bit模擬探頭相比，數字邏輯探頭根據示波器所設置的判決門線電平，將捕獲的電壓按照0、1跳變（1bit）的數字信號在屏幕上顯示出來。用戶可以根據多路數字信號的邏輯電平及關係來判斷邏輯電路的性能。
圖20 R&S RTO-B1數字邏輯探頭
EMI近場探頭是另一類特殊的探頭類型，它實際使用了天線接收原理，用來捕獲電路板上空間輻射的電磁場干擾，特別是在系統集成中做EMI電磁干擾的診斷。
圖21 EMI近場探頭示意圖
除了以上給大家介紹的各種探頭之外，還有光探頭、溫度傳感探頭及其他各類傳感探頭等。原則上來說，任何一款能夠將各物理量轉換成電壓信號並具備與示波器互連能力的傳感器都可以作爲示波器探頭，用戶可以根據具體使用環境和需求選擇適合的探頭類型。
2 示波器探頭的主要指標
2.1 帶寬
與示波器一樣，示波器探頭的頻響類似一個低通響應。探頭的帶寬是指探頭響應輸出幅度下降到70.7%（-3dB）時對應的輸入信號頻率。
圖1探頭頻響及帶寬定義
當示波器配合探頭使用時，示波器+探頭就構成了一套測量系統，此測量系統的帶寬滿足以下公式：
可見，探頭帶寬越高，對示波器帶寬的影響也就越小。一般我們推薦示波器探頭的帶寬爲示波器帶寬的1.5倍，即探頭帶寬略高於示波器帶寬。
2.2 上升時間
探頭的上升時間是指探頭對階躍函數10%-90%的響應時間。一般而言，探頭帶寬越高，上升時間越短。
與示波器一樣，大多數探頭的帶寬與上升時間滿足0.35公式，即：
Trise = 0.35/BWprobe
示波器+探頭測量系統的上升時間則滿足以下公式：
2.3 輸入阻抗
探頭一般都標註了輸入阻抗值，從50Ω至10MΩ甚至更高。探頭的輸入阻抗會嚴重影響探頭的負載效應（將在第三節中詳述）。輸入阻抗越大，探頭的負載效應越小，對待測電路正常工作影響也就越小。輸入阻抗越小，探頭的負載效應越大，對待測電路正常工作的影響就越大。
2.4 輸入電容
輸入電容是有源探頭的一項關鍵指標。有源探頭的輸入電容一般很小，小至pF甚至零點幾pF。小的電容會在高的頻帶上提供較大的輸入阻抗，從而減小負載效應。由輸入電容導致的輸入阻抗公式如下：
Rin = 1/2πfCin
由以上公式可知，Cin越小，探頭可以支持更高的帶寬f，這也是爲什麼有源探頭相對於無源探頭而言可以提供更大的帶寬的原因。
2.5 衰減比
一般探頭都會對探測到的信號進行衰減，然後輸送至示波器。最常見的衰減比爲10：1，即信號衰減爲原始的十分之一，此時衰減比標註爲10X。此外，常見的還有1X、100X、1000X探頭等。
2.6 最大輸入範圍
探頭都有最大輸入範圍，超過一定輸入範圍則可能損壞探頭。
3 示波器探頭使用注意事項
3.1 負載效應
探頭的負載效應是指被測電路接上探頭後，探頭與示波器一起組成了待測電路的並聯負載，從而吸引一部分電流流入示波器，對原始待測電路上的信號產品影響。如果負載效應很大，則測到的波形與原始波形變化很大，示波器就不能準確測量波形。
圖2示波器探頭接入引起負載效應
那麼如何評判探頭的負載效應呢？一般來說，探頭接入的輸入阻抗應爲待測電路待測點處輸出阻抗的10倍以上，此時負載效應較小，測量誤差在允許範圍以內。
如下圖所示：
圖3負載效應示例
在探頭探測前，探測點的電壓爲5V × 100KΩ/（100Ω+100KΩ）=4.995V。探頭探測後，並聯了一個1MΩ的阻抗，此時探測點的電壓爲：
5V × (90.9k)/[100+(90.9k)] = 4.994V
此時，探頭引入的負載效應僅爲0.001V，可以忽略不計。如果待測點的輸出阻抗更高，則需要使用更高輸入阻抗的探頭。
值得一提的是，當我們測試由信號源輸出的射頻信號時，一般使用的是50Ω傳輸線纜。50Ω的傳輸線纜與信號源輸出阻抗（50Ω）相匹配，使功率最大的傳輸至示波器，從而保證了測量精度。
而在某些時候，工程師希望測試電路板上某個探測點處的頻譜，往往使用剪斷的50Ω傳輸線纜，在剪斷處剝離地和傳輸芯，用以接觸探測點。線纜另一端則連接至頻譜儀。
圖4前段剝離的50Ω傳輸線纜
這種做法則是不可取的，電路板上的探測點與射頻源的輸出不同，由於傳輸線的50Ω低阻抗，會對測試點處引入較大的負載效應。正確的做法是，使用高輸入阻抗的探頭取代50Ω傳輸線纜，與頻譜儀連接。
R&S提供了RT-ZA9的BNC-N轉接頭方案，它可以將高輸入阻抗的R&S有源探頭（1MΩ）與頻譜儀或接收機相連接，對需要高阻抗測試的DUT進行精準測量。
圖5 RT-ZA9轉接頭示意圖
前面介紹過，探頭一般含有電阻、容性阻抗和感性阻抗。電阻的負載效應會對信號DC分量測量造成影響，對波形的幅度測量造成誤差。容性阻抗對AC分量的測量造成影響，比如會影響（延緩）信號的上升時間。感性阻抗則會對波形測量引入振鈴現象。
圖6探頭負載效應分類
3.2 探頭補償
我們在與電子測量工程師的交流中，經常提到探頭補償的問題。當我們購買示波器後第一次使用時，或者因探頭資源緊張而臨時拿其他品牌探頭使用時，都會涉及到探頭補償問題。
所謂探頭補償是指示波器與探頭連接使用時，調整探頭的可變電容，在探頭與示波器之間進行頻率補償，使頻率達到相對穩定的狀態。當補償完成後，具備如下關係式:
Rscope × Cscope = Rprobe × Cprobe
即：爲了最大限度地傳送信號，示波器的輸入電阻和電容必須與探頭輸出的電阻和電容相匹配，此時探頭具有最優信號傳送能力。
那麼如何進行探頭補償呢？
探頭補償一般針對無源探頭而言（有源探頭也存在補償），使用過無緣探頭的工程師可能會發現，在無緣探頭與示波器接觸的一端上有一個小孔，這個小孔內有一個十字旋鈕。通過探頭自帶的螺絲刀小工具即可深入小孔內調節探頭的可調電容值。
圖7調節無源探頭的可調電容值
具體原理如下圖所示：
圖8通過調節探頭可調電容Ccomp來實現探頭匹配
探頭補償的步驟如下：
• 連接探頭與示波器通道；
• 將探頭前端連接至示波器上的探頭補償Π方波信號（一般爲1KHz、1V的信號）；
• 使用自帶小工具調節探頭可調電容，使得示波器上顯示的方波信號的高低電平部分保持平穩，即實現探頭與示波器的匹配。
在調節探頭時，示波器上顯示的方波信號可能存在以下三種狀態：
圖10探頭帶來的振鈴效應
探頭不僅存在阻抗以及寄生電容，還存在寄生電感（特別是在測試高頻信號時）。探頭是由導線和地線組成的，通常導線及地線越長，電感值就越大。探頭上的寄生電感和寄生電容容易形成諧振迴路，在輸入信號的激勵下，在某些頻率上產生高頻減幅諧振，從而出現振鈴現象。
圖11振鈴現象的產生
如下圖所示，探頭的輸入阻抗會在特定頻率fx處達到最小值。
圖12探頭輸入阻抗
此時探頭的寄生電感、寄生電容以及待測信號源構成諧振迴路，出現諧振效應，諧振頻率爲:
其中，Lcon爲探頭寄生電感，Cin爲輸入電容。如果諧振頻率剛好落在探頭帶寬範圍之內，則在測試此頻率的信號時會出現諧振現象。
爲了降低這種效應，使用者往往使用最短的地線，從而減小探頭的Lcon寄生電感，使得fresonance諧振頻率最大化，從而超出示波器探頭的帶寬範圍，也就進一步有效避免了諧振效應。
探頭地線的長度嚴重影響諧振效應，以下圖片充分說明了地線長短對波形上升沿測量的影響。
圖13不同長短的底線的諧振效應
由圖示可知，地線越短，諧振效應越小，上升沿引起的振鈴現象越不明顯，此時的測量精度也就越高。所以，在測試環境允許的情況下，儘可能地使用更短的地線。
3.4 浮地測量問題
測量差分信號時，我們往往面臨以下3種選擇：
• 使用兩個通道CH1、CH2，分別測試差分信號兩端，然後相減；
圖14使用兩個單端探頭測量差分電壓
• 使用差分探頭測試；
圖15使用差分探頭測量差分電壓
• 直接使用單端探頭浮地測量；
圖16使用浮地的方法測量差分信號
第1種方法需要兩個通道及探頭之間的完全一致性。即便如此，兩個通道上產生的不同噪聲也會對測量結果造成影響，此種方法測試的CMRR共模抑制比很差，不作推薦。
第2種方法是最值得推薦的方法，使用差分探頭具有高CMRR（在《示波器探頭綜述（上）》有記載），測得數值精確。
然而，差分探頭往往價格昂貴，並非所有客戶願意花重金採購。因而就有了第3種方法，使用單端探頭對差分信號直接進行浮地測量。
差分信號兩端一正一負，如果要使用單端探頭進行探測，往往將單端探頭的地端與差分信號的負端相接。而單端探頭接上示波器後，探頭地線會與示波器電源地線共地，從而將差分信號的負端拉至地，對原始差分信號有影響。因此，有人想到浮地測量的方法，即將示波器電源地線剪斷，使示波器浮地。
浮地測量在電源測試中可能會造成觸電危險，因爲有些差分電壓的負端高達負的上百上千伏。在測試過程中，如果人手不小心觸碰到示波器其他通道的BNC接地殼，則會觸電！因此，浮地測量不是推薦的測量方法。
圖17浮地測量帶來觸電危險
除了以上3種常見測量方法之外，還可以使用通道隔離的示波器，或者使用隔離電源對示波器供電的方法。在此就不作詳述了。
3.5 其他品牌探頭兼容性問題
我們在日常使用示波器時經常出現原始匹配探頭丟失或損壞的情況。此時，能夠解決問題的辦法通常是拿手頭上其他品牌的探頭臨時配合示波器使用。很多人不瞭解具體情況，插上示波器探頭就開始測試，這樣往往測得的數值存在很大偏差，是不可取的！
並非不同品牌示波器和探頭不能配合使用，實際上，目前市面上絕大多數品牌示波器的無源探頭均具備統一的BNC接口，可以與其他品牌示波器配合使用。但是在正式測量之前，有幾點需要注意。
首先，一般示波器無法自動識別其他品牌探頭的衰減比（衰減因子），所以在與其他品牌探頭一起使用時，需要在示波器上手動設置探頭衰減比，這樣才能防止測量值偏差10幾倍甚至上千倍的錯誤。
其次，不同品牌的示波器和探頭之間同樣存在不匹配問題，即前面所述探頭補償問題。所以，在測試之前，需要對探頭進行補償。
此外，不同廠家的有源探頭（包括有源單端、有源差分、部分電流探頭等）甚至部分無源探頭設計爲獨特接口標準。針對此類探頭，有時可採用不同的轉換接頭使用，如R&S爲有源探頭提供的BNC轉N型的RT-ZA9轉接頭等。而大多數不具備轉接頭的探頭則無法與其他品牌示波器通用。