無源探頭、差分探頭和電流探頭到底怎么選?

　　如何選擇示波器探頭?

　　通過閱讀本文，您將會對示波器探頭有一個簡單快速的了解。本文重點講解無源探頭，有源探頭(高壓差分探頭、電流探頭)等基礎性知識。

　　1 、什么是示波器探頭：

　　示波器探頭是連接被測電路與示波器輸入端的電子部件。

　　2 、選探頭時應該要考慮的：

　　在選擇示波器探頭之前，必須仔細閱讀示波器的說明書，了解我們使用的示波器適合怎么樣的探頭。

　　下面幾點我們認為應該是在選探頭時應該要考慮的：

　　探頭接口。必須確保探頭接口和我們示波器的接口相匹配。目前大多數(shù)示波器的探頭接口都是 BNC接口，但是有的示波器可能是SMA接口或者專用接口。

　　觀察選擇的探頭的輸入阻抗和電容是否和示波器的輸入阻抗和電容相匹配。因為探頭阻抗和電容同示波器的匹配程度會大大影響測量信號的精確度。

　　BNC 接口

　　SMA 接口

　　有的示波器會支持 50Ω or 1 MΩ輸入阻抗切換。但對于大多數(shù)的測量，1MΩ是最最常見的。50Ω的輸入阻抗往往被用于測量高速信號，比如微波。還有邏輯電路中的信號傳輸延遲和電路板阻抗測量等。

　　示波器的輸入阻抗往往可以定格為 1 MΩ 或 50Ω，但示波器的輸入電容卻受帶寬和其它設計因素影響。通常而言，1MΩ阻抗的示波器常見的輸入電容為14pF。這個數(shù)值也可能在5pF到 100pF之間。所以為了讓探頭匹配示波器的輸入電容，在選擇探頭之前要了解探頭的電容范圍，然后通過校準棒來調(diào)節(jié)探頭的電容，這就是探頭的補償，也是我們使用探頭時應該注意的第一步。

　　3 、示波器探頭怎么選?

　　根據(jù)我們測量需求的不同，對探頭的數(shù)量和種類要求也是不同的。這有點像玩單反的人，也許他只有一臺相機，但是往往卻有很多個鏡頭。比如說，如果只是簡單的測量直流電壓，那么 1MΩ的無源探頭基本就足夠了。然而如果是電源系統(tǒng)測試中經(jīng)常要求測量的三相供電中的火線與火線，或者火線與零(中)線的相對電壓差，那么我們就需要用到差分探頭了。

　　4、 無源探頭

　　無源探頭是最常見的探頭，一般購買示波器的時候廠家就會標配幾個。常見的無源探頭由 探頭頭部、探頭電纜、補償設備或其他信號調(diào)節(jié)網(wǎng)絡和探頭連接頭組成。 在這些類型的探針中沒有使用有源元件，如晶體管或放大器，所以不需要為探頭供電。總的來說，無源探頭更常見，更容易使用，也更便宜。常見的無源探頭可調(diào)衰減比例有：

　　1×: 沒有衰減

　　10×:10 倍衰減

　　100×:100 倍衰減

　　1000×:1000 倍衰減

　　無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)。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(zhì)上是一個探頭中的兩個不同探頭，不僅其衰減系數(shù)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(xiàn)的最優(yōu)性能。

　　探頭衰減是通過內(nèi)部電阻器來擴大示波器的電壓測量范圍的，該內(nèi)部電阻器與示波器的輸入電阻一起使用時，會創(chuàng)建一個分壓器。例如，一個典型的 10x探頭裝有一個內(nèi)部 9MΩ電阻器，當與 1MΩ輸入阻抗的示波器連接使用時，會在示波器的輸入通道上產(chǎn)生 10： 1的衰減比。這意味著示波器上顯示的信號將是實際測量信號幅度的 1/10，所以我們往往還需要去示波器的通道設置里將衰減比也調(diào)成 10X。

　　此衰減功能使得我們可以測量超出示波器電壓限制范圍的信號。而且衰減電路會導致較高的電阻(通常是一件好事)和較低的電容，這對于高頻測量很重要。

　　10X 無源探頭原理圖

　　5 、有源探頭

　　由于有源探頭里包含了類似晶體管和放大器的有源部件，需要供電支持，因此稱作有源探頭。 最常見的情況下， 有源設備是一種場效應晶體管( PET)，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。有源 FET探頭的規(guī)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(chǎn)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(tài)范圍一般在 ±0.6V到 ±10V之間。

　　有源探頭 --差分探頭

　　差分探頭測量的是差分信號。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(zhì)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(nèi)提供很高的共模抑制比( CMRR)。

　　差分信號和普通的單端信號走線相比，最明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個方面：

　　1. 抗干擾能力強，因為兩根差分走線之間的耦合很好，當外界存在噪聲干擾時，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被最大程度抵消。

　　2. 能有效抑制 EMI，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

　　3. 時序定位精確，由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的 LVDS就是指這種小振幅差分信號技術。

　　差分放大原理是指一對信號同時輸入到放大電路中，然后相減，得到原始信號。差分放大器是由兩個參數(shù)特性相同的晶體管用直接耦合方式構(gòu)成的放大器。若兩個輸入端上分別輸入大小相同且相位相同的信號時，輸出為零，從而克服零點漂移。

　　差分探頭原理圖

　　有源探頭 --電流探頭

　　也許你會想，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，為啥要專門搞個電流探頭來測?因為實際上，這種測量引入的誤差非常之大，我們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(jīng)互感變壓器變換成電壓，再由探頭內(nèi)的放大器放大后送到示波器。電流探頭基本上又分成兩類， 交流電流探頭和交直流電流探頭，交流電流探頭通常是無源探頭，無需外接供電，而交直流電流探頭通常是有源探頭。傳統(tǒng)電流探頭只能測量交流交流信號，因為穩(wěn)定的直流電流不能在互感器中感應電流。交流電流在互感器中，隨著電流方向的變化，產(chǎn)生電場的變化，并感應出電壓。然而，利用霍爾效應，電流偏流的半導體設備將產(chǎn)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。

　　6 、和探頭有關的建議 :

　　1.對探頭進行正確的補償：不同的示波器輸入電容可能不同，甚至同一臺示波器不同通道也會有略微差別。為了解決這個問題，學會給探頭補償調(diào)節(jié)是工程師應該掌握的最基本的技能。

　　2.探頭與被測電路連接時，探頭的接地端務必與被測電路的地線相聯(lián)。否則在懸浮狀態(tài)下，示波器與其他設備或大地間的電位差可能導致觸電或損壞示波器、探頭或其他設備。

　　3.盡量將探頭的接地導線與被測點的位置鄰近。接地導線過長，可能會引起振鈴或過沖等波形失真

　　4.對于兩個測試點都不處于接地電位時，要進行 “浮動 ”測量，也稱差分測量，要使用專業(yè)的差分探頭。

　　探頭對示波器的測量至關重要，首先要求探頭對探測的電路影響必須達到最小，并希望對測量值保持足夠的信號保真度。如果探頭以任何方式改變信號或改變電路運行方式，示波器看到實際信號會失真比較嚴重，進而可能導致錯誤的或者誤導性的測量結(jié)果。通過以上介紹得出，探頭的選購和正確使用有許多值得我們注意的地方。

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