示波器探頭分類和電容負荷
2012-08-10
2.1 無源電壓探頭
2.1.1 無源探頭
無源探頭由導線和連接器制成，在需要補償或衰減時，還包括電阻器和電容器。探頭中沒有有源器件（晶體管或放大器），因此不需為探頭供電。無源探頭一般是最堅固、最經濟的探頭，它們不僅使用簡便，而且使用廣泛。
2.1.2 高阻無源電壓探頭
從實際需要出發，使用最多的是電壓探頭，其中高阻無源電壓探頭占最大部分。無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數1×，10×和100×。在這些無源探頭中，10×無源電壓探頭是最常用的探頭。對信號幅度是1V峰峰值或更低的應用，1×探頭可能要比較適合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信號混合（幾十毫伏到幾十伏）的應用中，可切換1×/10×探頭要方便得多。但是，可切換1×/10×探頭在本質上是一個產品中的兩個不同探頭，不僅其衰減系數不同，而且其帶寬、上升時間和阻抗（R和C）特點也不同。因此，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提供標準10×探頭實現的最優性能。
2.1.3 低阻無源電壓探頭
大多數高阻無源探頭的帶寬范圍在小于100MHz到500MHz或更高的帶寬之間。而低阻無源電壓探頭（又稱為50歐姆探頭、Zo探頭、分壓器探頭）的頻率特性很好，采用匹配同軸電纜的探頭，帶寬可達10GHz和100皮秒或更快的上升時間。這種探頭是為用于50歐姆環境中設計的，這些環境一般是高速設備檢定、微波通信和時域反射計（TDR）。
2.1.4 無源高壓探頭
“高壓”是相對的概念。從探頭角度看，我們可以把高壓定義為超過典型的通用10×無源探頭可以安全處理的電壓的任何電壓。高壓探頭要求具有良好的絕緣強度，保證使用者和示波器的安全。
2.2 有源電壓探頭
2.2.1 有源探頭
有源探頭包含或依賴有源器件，如晶體管。最常見的情況下，有源設備是一種場效應晶體管（FET），它提供了非常低的輸入電容，低電容會在更寬的頻段上導致高輸入阻抗。可以從下面的Xc公式中看出：
2.2.2 有源FET探頭
有源FET探頭的規定帶寬一般在500MHz ～4GHz之間。除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻抗未知的測試點上進行測量，而產生負荷效應的風險要低得多。另外，由于低電容降低了地線影響，可以使用更長的地線。
有源FET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動態范圍一般在±0.6V到±10V之間。
2.2.3 有源差分探頭
差分信號是互相參考，而不是參考接地的信號。差分探頭可測量浮置器件的信號，實質上它是兩個對稱的電壓探頭組成，分別對地段有良好絕緣和較高阻抗。差分探頭可以在更寬的頻率范圍內提供很高的共模抑制比（CMRR）。
2.3 電流探頭
從原理上來看，用電壓探頭測得電壓值，除以被測阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實際上這種測量引入的誤差很大，所以一般不采用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號電流磁通經互感變壓器變換成電壓，再由探頭內的放大器放大后送到示波器。
2.3.1 交流電流探頭
交流電流在互感器中，隨著電流方向的變化，產生電場的變化，并感應出電壓。交流電流探頭屬于無源設備，無需外接供電。
2.3.2 直流電流探頭
傳統電流探頭只能測量交流交流信號，因為穩定的直流電流不能在互感器中感應電流。然而，利用霍爾效應，電流偏流的半導體設備將產生與直流電場對應的電壓。所以，直流電流探頭是一種有源設備，需要外接供電。
所以電流探頭基本上分成兩類：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭通常是無源探頭，AC/DC電流探頭通常是有源探頭。
2.4 邏輯探頭
使用示波器觀察分析數字波形的模擬特點時，需要用到邏輯探頭，為隔離確切地成因，數字設計人員通常需要查看在具體邏輯條件下發生的特定數據脈沖，這要求邏輯觸發功能。如圖3為邏輯探頭示意圖，可以在大多數示波器中增加這種邏輯出發功能。
圖3 邏輯探頭示意圖
2.5 其他探頭
由于示波器的應用范圍十分廣泛，所以除了上述的探頭類型外還有各種專用探頭，這些專業探頭根據其前端傳感器的不同而有不同的功用，下面我們介紹其中的兩種，僅供讀者了解。
光電探頭在原理上是普通電壓探頭與光電轉換器件的組合，可直接測量光器件和光纖傳輸的光信號。
溫度探頭是普通電壓探頭與溫度傳感器的組合，可直接測量物體的溫度。溫度探頭屬傳感器探頭的一種，各種傳感器探頭與示波器配合可測量多種物理量。
2.1 無源電壓探頭
2.1.1 無源探頭
無源探頭由導線和連接器制成，在需要補償或衰減時，還包括電阻器和電容器。探頭中沒有有源器件（晶體管或放大器），因此不需為探頭供電。無源探頭一般是最堅固、最經濟的探頭，它們不僅使用簡便，而且使用廣泛。
2.1.2 高阻無源電壓探頭
從實際需要出發，使用最多的是電壓探頭，其中高阻無源電壓探頭占最大部分。無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數1×，10×和100×。在這些無源探頭中，10×無源電壓探頭是最常用的探頭。對信號幅度是1V峰峰值或更低的應用，1×探頭可能要比較適合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信號混合（幾十毫伏到幾十伏）的應用中，可切換1×/10×探頭要方便得多。但是，可切換1×/10×探頭在本質上是一個產品中的兩個不同探頭，不僅其衰減系數不同，而且其帶寬、上升時間和阻抗（R和C）特點也不同。因此，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提供標準10×探頭實現的最優性能。
2.1.3 低阻無源電壓探頭
大多數高阻無源探頭的帶寬范圍在小于100MHz到500MHz或更高的帶寬之間。而低阻無源電壓探頭（又稱為50歐姆探頭、Zo探頭、分壓器探頭）的頻率特性很好，采用匹配同軸電纜的探頭，帶寬可達10GHz和100皮秒或更快的上升時間。這種探頭是為用于50歐姆環境中設計的，這些環境一般是高速設備檢定、微波通信和時域反射計（TDR）。
2.1.4 無源高壓探頭
“高壓”是相對的概念。從探頭角度看，我們可以把高壓定義為超過典型的通用10×無源探頭可以安全處理的電壓的任何電壓。高壓探頭要求具有良好的絕緣強度，保證使用者和示波器的安全。
2.2 有源電壓探頭
2.2.1 有源探頭
有源探頭包含或依賴有源器件，如晶體管。最常見的情況下，有源設備是一種場效應晶體管（FET），它提供了非常低的輸入電容，低電容會在更寬的頻段上導致高輸入阻抗。可以從下面的Xc公式中看出：
2.2.2 有源FET探頭
有源FET探頭的規定帶寬一般在500MHz ～4GHz之間。除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻抗未知的測試點上進行測量，而產生負荷效應的風險要低得多。另外，由于低電容降低了地線影響，可以使用更長的地線。
有源FET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動態范圍一般在±0.6V到±10V之間。
2.2.3 有源差分探頭
差分信號是互相參考，而不是參考接地的信號。差分探頭可測量浮置器件的信號，實質上它是兩個對稱的電壓探頭組成，分別對地段有良好絕緣和較高阻抗。差分探頭可以在更寬的頻率范圍內提供很高的共模抑制比（CMRR）。
2.3 電流探頭
從原理上來看，用電壓探頭測得電壓值，除以被測阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實際上這種測量引入的誤差很大，所以一般不采用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號電流磁通經互感變壓器變換成電壓，再由探頭內的放大器放大后送到示波器。
2.3.1 交流電流探頭
交流電流在互感器中，隨著電流方向的變化，產生電場的變化，并感應出電壓。交流電流探頭屬于無源設備，無需外接供電。
2.3.2 直流電流探頭
傳統電流探頭只能測量交流交流信號，因為穩定的直流電流不能在互感器中感應電流。然而，利用霍爾效應，電流偏流的半導體設備將產生與直流電場對應的電壓。所以，直流電流探頭是一種有源設備，需要外接供電。
所以電流探頭基本上分成兩類：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭通常是無源探頭，AC/DC電流探頭通常是有源探頭。
2.4 邏輯探頭
使用示波器觀察分析數字波形的模擬特點時，需要用到邏輯探頭，為隔離確切地成因，數字設計人員通常需要查看在具體邏輯條件下發生的特定數據脈沖，這要求邏輯觸發功能。如圖3為邏輯探頭示意圖，可以在大多數示波器中增加這種邏輯出發功能。
圖3 邏輯探頭示意圖
2.5 其他探頭
由于示波器的應用范圍十分廣泛，所以除了上述的探頭類型外還有各種專用探頭，這些專業探頭根據其前端傳感器的不同而有不同的功用，下面我們介紹其中的兩種，僅供讀者了解。
光電探頭在原理上是普通電壓探頭與光電轉換器件的組合，可直接測量光器件和光纖傳輸的光信號。
溫度探頭是普通電壓探頭與溫度傳感器的組合，可直接測量物體的溫度。溫度探頭屬傳感器探頭的一種，各種傳感器探頭與示波器配合可測量多種物理量。
2.1 無源電壓探頭
2.1.1 無源探頭
無源探頭由導線和連接器制成，在需要補償或衰減時，還包括電阻器和電容器。探頭中沒有有源器件（晶體管或放大器），因此不需為探頭供電。無源探頭一般是最堅固、最經濟的探頭，它們不僅使用簡便，而且使用廣泛。
2.1.2 高阻無源電壓探頭
從實際需要出發，使用最多的是電壓探頭，其中高阻無源電壓探頭占最大部分。無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數1×，10×和100×。在這些無源探頭中，10×無源電壓探頭是最常用的探頭。對信號幅度是1V峰峰值或更低的應用，1×探頭可能要比較適合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信號混合（幾十毫伏到幾十伏）的應用中，可切換1×/10×探頭要方便得多。但是，可切換1×/10×探頭在本質上是一個產品中的兩個不同探頭，不僅其衰減系數不同，而且其帶寬、上升時間和阻抗（R和C）特點也不同。因此，這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配，不能提供標準10×探頭實現的最優性能。
2.1.3 低阻無源電壓探頭
大多數高阻無源探頭的帶寬范圍在小于100MHz到500MHz或更高的帶寬之間。而低阻無源電壓探頭（又稱為50歐姆探頭、Zo探頭、分壓器探頭）的頻率特性很好，采用匹配同軸電纜的探頭，帶寬可達10GHz和100皮秒或更快的上升時間。這種探頭是為用于50歐姆環境中設計的，這些環境一般是高速設備檢定、微波通信和時域反射計（TDR）。
2.1.4 無源高壓探頭
“高壓”是相對的概念。從探頭角度看，我們可以把高壓定義為超過典型的通用10×無源探頭可以安全處理的電壓的任何電壓。高壓探頭要求具有良好的絕緣強度，保證使用者和示波器的安全。
2.2 有源電壓探頭
2.2.1 有源探頭
有源探頭包含或依賴有源器件，如晶體管。最常見的情況下，有源設備是一種場效應晶體管（FET），它提供了非常低的輸入電容，低電容會在更寬的頻段上導致高輸入阻抗。可以從下面的Xc公式中看出：
2.2.2 有源FET探頭
有源FET探頭的規定帶寬一般在500MHz ～4GHz之間。除帶寬更高外，有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻抗未知的測試點上進行測量，而產生負荷效應的風險要低得多。另外，由于低電容降低了地線影響，可以使用更長的地線。
有源FET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動態范圍一般在±0.6V到±10V之間。
2.2.3 有源差分探頭
差分信號是互相參考，而不是參考接地的信號。差分探頭可測量浮置器件的信號，實質上它是兩個對稱的電壓探頭組成，分別對地段有良好絕緣和較高阻抗。差分探頭可以在更寬的頻率范圍內提供很高的共模抑制比（CMRR）。
2.3 電流探頭
從原理上來看，用電壓探頭測得電壓值，除以被測阻抗值，很容易就可以獲得電流值。然而，實際上這種測量引入的誤差很大，所以一般不采用電壓換算電流的方法。電流探頭可以精確測得電流波形，方法是采用電流互感器輸入，信號電流磁通經互感變壓器變換成電壓，再由探頭內的放大器放大后送到示波器。
2.3.1 交流電流探頭
交流電流在互感器中，隨著電流方向的變化，產生電場的變化，并感應出電壓。交流電流探頭屬于無源設備，無需外接供電。
2.3.2 直流電流探頭
傳統電流探頭只能測量交流交流信號，因為穩定的直流電流不能在互感器中感應電流。然而，利用霍爾效應，電流偏流的半導體設備將產生與直流電場對應的電壓。所以，直流電流探頭是一種有源設備，需要外接供電。
所以電流探頭基本上分成兩類：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭通常是無源探頭，AC/DC電流探頭通常是有源探頭。
2.4 邏輯探頭
使用示波器觀察分析數字波形的模擬特點時，需要用到邏輯探頭，為隔離確切地成因，數字設計人員通常需要查看在具體邏輯條件下發生的特定數據脈沖，這要求邏輯觸發功能。如圖3為邏輯探頭示意圖，可以在大多數示波器中增加這種邏輯出發功能。
圖3 邏輯探頭示意圖
2.5 其他探頭
由于示波器的應用范圍十分廣泛，所以除了上述的探頭類型外還有各種專用探頭，這些專業探頭根據其前端傳感器的不同而有不同的功用，下面我們介紹其中的兩種，僅供讀者了解。
光電探頭在原理上是普通電壓探頭與光電轉換器件的組合，可直接測量光器件和光纖傳輸的光信號。
溫度探頭是普通電壓探頭與溫度傳感器的組合，可直接測量物體的溫度。溫度探頭屬傳感器探頭的一種，各種傳感器探頭與示波器配合可測量多種物理量。
示波器探頭隨著信號頻率或轉換速率提高，阻抗的電容成分變成主要因素。結果，電容負荷成為主要問題，特別是電容負荷會影響快速轉換波形的上升時間和下降時間及波形中高頻成分幅度。
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