示波器无源探头：工作原理、参数及使用全攻略

在电子工程师的工具箱里，示波器无疑是极为核心的仪器之一。它宛如一把 “电子世界的放大镜”，能够精准捕捉电路中的瞬态信号，助力工程师看清那些肉眼无法察觉的细微波形变化。而探头作为示波器测量系统中不可或缺的重要组成部分，恰似示波器感知被测信号的 “触角”，承担着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，探头都有着广泛的应用。

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，成为了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。

示波器无源探头的使用方法

(1).进行探头补偿调节

除了输入电阻之外，所有示波器还具有特定的固有电容。此电容一般较低，通常为数十微微法拉。这不会给直流测量造成问题。这在交流测量中非常重要，因为随着频率增加，输入电容开始起到低通滤波器的作用，而探头补偿用于将示波器的固有输入电容与探头尖端的电容相匹配，这将有效减少所测信号的幅度和脉冲波形误差。

如果探头未经补偿或补偿不佳则会导致测量不准确，包括幅度不准确，以及波形失真，特别是信号的上升和下降边沿失真；如前面所述，探头补偿主要是针对高频交流成分进行补偿，所以当信号频率增加时，探头补偿不佳会导致的测量不准确性更大。

几乎所有示波器都具有一般以 1000 Hz 频率运行的内置方波发生器。此发生器通常标为“Probe Comp.”，并且使用方波和接地符号表示。

图表 5 Probe Comp

①.将探头尖端连接至方波源，探头接地线接地：

图表 6 补偿步骤1

②.然后使用绝缘螺丝刀或工具调整电容，直到方波补偿信号尽可能呈矩形：

图表 7 补偿步骤2

③.补偿信号的顶端基本呈水平时，表明探头得到适当补偿。过补偿探头会在信号的上升沿产生过冲，而欠补偿探头会在信号的上升沿产生下冲。

图表 8 探头补偿示例

对于过补偿或欠补偿探头，补偿电容会进行调整直至波形具有良好的方形边缘。通常这只需稍加转动即可。请注意，方波或矩形波具有高频和低频分量，因此可用于探头补偿。

应该在首次使用探头或执行重要测量之前补偿探头。由于不同示波器的输入电容各异，因此将探头用于不同的示波器时也需要进行补偿。在同一示波器的不同端口之间移动探头通常无需进行补偿。但是，频率信号越高，探头补偿越重要。

(2).正确连接地线

在使用无源探头之前，首先要确保地线连接正确。将探头的地线夹牢固地夹在被测电路的接地位置上，尽量使地线夹靠近被测信号点，以减少地线的电感和电阻带来的影响，降低测量误差。同时，要检查地线是否完好无损，避免因地线接触不良导致信号不稳定或测量结果不准确。

(3).选择合适的衰减系数

根据被测信号的幅值大小，选择合适的衰减系数。如果信号幅值较大，可以使用较大衰减系数的探头，如 100:1，这样可以将信号衰减到示波器合适的测量范围内。如果信号幅值较小，则选择较小衰减系数的探头如 10:1，以保证信号在示波器上能够清晰地显示出来。在连接探头到示波器后，一般情况下还需要在示波器上设置对应的探头衰减系数，以便示波器能够正确地对信号进行测量和显示。

但是在某些情况下，示波器可以检测出是 1x 还是 10x 探头，并自动调整设置。这是因为许多 10x 探头在示波器侧都有一个金属探针，如果金属探针与示波器输入端的感应环接触，示波器即知道正在使用 10x 探头。部分探头可以通过移动侧边上的开关以用作 1x 或 10x 探头。此类探头被称为可切换探头。使用可切换探头时，如果未自动检测到探头衰减，确保相应调整示波器设置。

示波器无源探头的常见故障及解决方法

①.信号失真

如果在测量过程中发现示波器显示的信号波形失真，可能是由于探头的带宽不足、输入电容未补偿好或者探头损坏等原因导致的。首先可以检查探头的带宽是否满足被测信号的要求，如果带宽不够，需要更换更高带宽的探头。然后检查探头是否已经进行了正确的补偿调节，重新进行补偿调节操作。如果经过这些操作后信号仍然失真，可能需要检查探头内部的电路是否损坏，如电阻、电容等元件是否出现故障，必要时可以更换探头。

②.信号衰减异常：

当发现示波器显示的信号幅值明显偏离实际预期值时，可能是探头的衰减系数设置不正确或者探头内部的衰减网络出现故障。首先要检查示波器上设置的探头衰减系数是否与实际使用的探头衰减系数一致，如果不一致，需要进行相应的调整。如果设置正确，可以尝试更换探头或者检查探头内部的电阻、电容等元件是否正常，以确定是否存在故障。

③.探头尖端损坏：

在使用过程中，如果探头尖端受到撞击、挤压或者过度磨损，可能会导致尖端损坏。损坏的探头尖端会影响与被测信号点的接触质量，从而导致信号不稳定或者测量误差增大。对于损坏的探头尖端，应及时进行更换，以确保测量的准确性和可靠性。

总之，示波器无源探头虽然看似简单，但它是电子测量中不可或缺的重要工具。了解其工作原理、参数、正确使用方法以及常见故障处理，对于准确地进行电子电路信号测量和分析具有重要的意义，能够帮助工程师和技术人员更好地开展电子设备的研发、调试和维护等工作。