示波器探头基础知识

聂文伟Oscilloscope.China@rohde-schwarz,“ScopeArt先生”团队成员

示波器探头是示波器使用过程中不可或缺的一局部，它主要是作为承载信号传输的链路，将待测信

号完整可靠的传输至示波器，以进一步进展测量分析。很多工程师很看重示波器的选择，却容易忽

略对示波器探头的甄别。试想如果信号经过前端探头就已经失真，那再完美的示波器所测得的数据

也会有误。所以正确了解探头性能，有效躲避探头使用误区对我们日常使用示波器来说至关重要！

在绝大多数示波器测量环境下，我们都需要使用探头。示波器探头有很多种，内部原理构造迥异，

使用方法也各不一样。本文主要给大家介绍示波器探头的种类及工作原理，探头使用过程考前须知

以及如何选择示波器探头。

1示波器探头种类及工作原理

对于DC直流或一般低频信号而言，示波器探头只是一个由特定阻抗R所形成的一段传输线缆。而

随着待测信号频率的增加和不规那么性，示波器探头在测量过程中会引入寄生电容C以及电感L,

寄生电容会衰减信号的高频成分，使信号的上升沿变缓。寄生电感那么会与寄生电容一起构成谐振

回路，使信号产生谐振现象。所有这些都会对我们测量信号的准确性带来挑战。

图1探头电气特性示意图

示波器探头按供电方式分可分为无源探头和有源探头。无源探头又分为无源低压、无源高压及低阻

传输线探头等，有源探头又分为有源单端、有源差分、高压差分探头等。此外，在一些特殊应用下，

还会使用到电流探头［AC、DC〕、近场探头、逻辑探头以及各类传感器〔光、温度、振动〕探头

等。

无源探头是最常用的一类电压探头，也是我们在购置示波器时标配赠送的探头。如图2所示。

.、一

图2无源探头不思图

无源探头一般使用通用型BNC接口与示波器相连所以大多数厂家的无源探头可以在不同品牌的示

波器上通用〔某些厂家特殊接口标准的探头除外〕，但由于示波器一般无法自动识别其他品牌的探

头类型，所以此时需要手动在示波器上设置探头衰减比，以保证示波器在测量时正确补偿探头带来

的信号衰减。

图3所示为日常最为常见的一类无源探头原理示意图,它由输入阻抗Rprobe、寄生电容Cprobe、

传输导线〔一般1至1.5米左右〕、可调补偿电容Ccomp组成。此类无源探头一般输入阻抗为10MQ,

衰减比因子为10:1。

图3无源探头原理图

在使用此类探头时，示波器的输入阻抗会自动设置为高阻1MQ。此时示波器BNC通道输入点的电

压Vscope与探头前端所探测的电压值Vprobe的关系满足以下对应关系：

Vprobe/Vscope=(9MQ+1MQ)/1MQ=10:1

由关系式可知，示波器得到的电压是探头探测到电压的十分之一，这也是无源探头10:1衰减因子

的由来。无源探头具备高阻抗10MQ,因此它对待测电路的负载效应〔将在第二局部详述〕很小，

能覆盖一般低频频段［500MHz以内〕，耐压能力强〔300V-400Vrms〕，价格廉价，通用性好，

所以得到广泛使用。

当无源探头的衰减因子为100:1,1000:1甚至更高时，此类探头一般归类为无源高压探头。由于

其衰减比很大，因此能测量高压、超高压电信号。

还有一类无源探头，其衰减比为1:1,信号未经衰减直接经过探头传输至示波器，其耐压能力不及

其它无源探头，但它具备测试小信号的优势。由于不像10:1衰减比探头那样信号需要示波器再放

大10倍显示，所以示波器内部噪声未放大，测量噪声更小，此类更适用于测试小信号或电源纹波噪

声。

图5R&SHZ-1541:1/10:1可调衰减比无源探头

无源传输线探头是另一类特殊的无源探头，其特点是输入阻抗相对较低，一般为几百欧姆，支持带

宽更高,可达数GHz以上。图6为输入阻抗为500Q的10:1无源传输线探头原理图：

图6传输线探头原理图

传输线探头具备低寄生电容，低输入阻抗的特性，一般用来测量高频信号。在使用传输线探头时应

该注意将示波器输入阻抗设置为50Q,以与传输线50Q阻抗相匹配，传输线探头的典型应用为测量

50。传输线上的电信号,通过SMA-N等不同的转换接头，传输线探头也可用在频谱分析仪等其它

测试设备上。

图7传输线探头的典型应用

需要注意的是，由于传输线探头的低阻抗，它的负载效应会比拟明显。因此，此类探头仅适用于与

低输出阻抗〔几十至100欧姆〕的电路测试。对于更高输出阻抗的电路，我们可以选择使用高阻有

源探头的方案，将在后续详述。

图8R&SRT-ZZ808.0GHz无源传输线探头

介绍完无源探头，我们接下来看看有源探头。顾名思义，有源探头区别于无源探头最大的特点是“有

源〃，即它需要提供电源才能工作。如今大多数有源探头都配备有特殊接口，通过与示波器连接从

示波器获得电源，而不需要额外提供外置电源〔某些型号除外〕。下列图所示为有源单端探头原理

图：

图9有源单端探头原理图

有源单端探头一般具备高阻抗（1MQ上下〕，低寄生电容。其前端有一个高带宽的放大器，有源探

头的供电主要用于此放大器。放大器驱动信号经过50Q传输线到达示波器，示波器的输入阻抗需选

择为50。作匹配。由于其较低的寄生电容和50欧姆传输，有源单端探头可以提供比无源探头更高

的带宽，因此主要应用在高频信号的测量领域。

优点和缺点往往是并存的，有源单端探头亦是如此。能够测量更高带宽的信号是其优点，但由于需

要集成有源放大器，因而其本钱相对于无源探头来说更高，一个几GHz带宽的有源单端探头价格

可达数万人民币。除此之外，由于高带宽放大器的信号输入范围十分有限，因而其动态范围有限，

一般有源单端探头的动态范围仅在几伏范围之内，探头所能承受的最大电压也只有几十伏。

相对于前面所说的无源传输线探头，有源单端探头同样可以应用在低阻抗高频率信号的测量环境，

且由于其输入阻抗相对于无源传输线探头更高，因此它的负载效应更小。不仅如此，R&S有源单端

探头还可以与RT-ZA9〔N型转换接头，USB供电〕附件连接，进而用在射频信号源和频谱分析仪

上，用来测试特殊环境下的信号，如传统50欧姆同轴线缆无法连接的探测点处，或者需要使用高

阻探头探测待测点信号频谱时。

图10R&SRT-ZS系列单端有源探头与RT-ZA9N型转换头相连

除了有源单端探头之外，有源差分探头是另外一类重要的有源探头。我们可以从字面上来理解这两

种探头的区别，有源单端的前端有两处连接点：信号点和地。有源差分顾名思义主要用来测试差分

信号，探头前端有三处连接点：信号正、信号负、地。

图11有源单端探头前端〔左〕与有源差分探头前端〔右〕

有源差分探头的原理图如下：

图12有源差分探头原理图

与有源单端探头相比，其最大不同在于使用了差分放大器。有源差分探头同样具备低寄生电容和高

带宽特性，所不同的是，有源差分探头具有高共模抑制比〔CMRR〕,对共模噪声的抑制能力比拟

强。有源差分探头主要用来测试差分信号，即测试两路信号〔一般为相位相差180度的正反信号〕

的相对电压差，与地无关。

图13差分信号测试原理示意图

上图显示了用有源差分探头测试差分信号的原理，图中红色波形显示的为差分信号Vin+,蓝色波形

显示为差分信号Vin-,二者幅度一样,相位相差180度。Vin+和Vin-经由差分探头正、负探测点探

测后经过差分放大器放大，然后传输至示波器，最后得到如图绿色差分波形。

这里要介绍几个概念，以便大家能够更好的理解共模抑制比CMRR。

共模〔CommonMode〕:差分信号两端具有一样幅度和相位的信号成分，用表达式表示为Vcm=

〔Vin++Vin-〕12.

由于理想的Vin+、Vin-幅度一样，相位相反，所以二者相加应该为零。但在实际工作环境下，Vin+、

Vin-上会叠加上噪声干扰Vnoise。由于Vin+、Vin-所处环境一样，因而在二者上叠加的噪声也往往

一样,所以由CM表达式可知：CM=Vnoise.

差模〔DifferentialMode〕:差分信号两端不同的信号成分，用表达式表示为Vdm=Vin+-Vin-.

共模抑制〔CommonModeRejection〕：差分放大器对共模信号的抑制能力，即差分放大器的一项

主要能力是对Vnoise进展抑制消除。如果共模电压Vcm经过差分放大器的增益为Acm,差模电

压Vdm经过差分放大器的增益为Adm,那么我们可以用共模抑制比〔CommonModeRejection

Ratio〕即CMRR来表示共模抑制能力，其表达式为：

CMRR=Adm/Acm

举例如下列图：差模信号Vdm幅度为1V,经过差分放大器后幅度为2V,即Adm=2.共模信号

Vcm幅度为4.5V经过差分放大器后幅度抑制为0.45V即Acm=0.1.因此,CMRR=2/0,1=20:

1=26dBo

图14差分信号测试举例

对于理想的差分放大器而言，我们希望其完全抑制共模信号，从而消除噪声Vnoise对差分信号测量

的影响。对于一般的差分信号测量而言，20dB的CMRR已经足够，而R&SRT-ZD40的CMRR可

达50dB，性能非常优异。

图15R&SRT-ZD40有源差分探头

值得一提的是，R&S的有源单端探头和有源差分探头上都配备了MicroButton多功能按钮和

ProbeMeter探头计功能。其中，MicroButton是位于有源探头前段的一个微型按钮，用户可以在测

试时很方便的按动按钮，从而执行对示波器的特定控制〔可自定义〕，如：自动设置、默认设置、

单次运行、连续运行等。

图16MicroButton多功能按钮

ProbeMeter那么是集成在有源探头前端的16位DC电压计，可用来直接在探头点处测试直流电压，

这与其他厂家使用探头捕获波形然后输送到示波器，进而对波形进展测量得到DC数值的方案完全

不同。很显然，ProbeMeter摒除了探头传输的失真影响，从而具备了0.1%的高精准度。在使用差

分探头时，可以借助此功能方便快捷查看单端、共模、差模电压数值。

图17ProbeMeter探头电压计

有源差分探头可用于绝大多数较小幅度差分信号的测量，但对于幅度达上百甚至上千幅的高压差分

信号而言，有源查分探头就显得力不从心了。此时我们只能借助于高压差分探头的帮助，相对于一

般差分探头而言，高压差分探头具有更高的动态范围，能够承受更高的电压。

图18R&SRT-ZD01±1400V高压差分探头

高压差分探头相对于无源高压探头而言价格昂贵，因此有用户在测试高压差分信号时会选择将示波

器的电源接地线剪断，使示波器“浮起来〃进展测试，这是非常危险的，一定要杜绝此类行为。我

们将在第二局部详细说明。

电流探头严格意义上说也属于有源探头的一种，几乎所有的电流探头在使用过程中都需要供电。电

流探头主要分为三类：AC〔仅能测试交流电〕、DC〔仅能测试直流电〕、AC+DCo而目前大多数

电流探头都具备了AC+DC的测量功能。

电流探头的原理如下，主要是利用电磁效应〔AC测量〕和霍尔效应〔DC测量〕。

图19AC+DC电流探头原理图

当有AC电流经过导线穿过电流探头的前段闭合钳口时，会有相应磁场产生，通过磁场的强弱直接

感应到电流探头的线圈。探头就象一个电流变压器，系统直接测量的是感应电流。

如果是DC或者低频电流，当电流钳闭合后，电流导线附近会出现一个磁场。磁场使霍尔传感器内

的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电压。系统根据这个电压产生一个反相〔补偿〕电

流至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，防止磁饱和。系统根据反相电流测得实际得电流值。

电流探头的选择主要依据其测量带宽、量程以及钳口直径等。

MSO数字逻辑探头在数字逻辑测试中会经常使用，与一般8bit模拟探头相比，数字逻辑探头根据

示波器所设置的判决门线电平，将捕获的电压按照0、1跳变〔1bit〕的数字信号在屏幕上显示出来。

用户可以根据多路数字信号的逻辑电平及关系来判断逻辑电路的性能。

图20R&SRTO-B1数字逻辑探头

EMI近场探头是另一类特殊的探头类型，它实际使用了天线接收原理，用来捕获电路板上空间辐射

的电磁场干扰，特别是在系统集成中做EMI电磁干扰的诊断。

图21EMI近场探头示意图

除了以上给大家介绍的各种探头之外，还有光探头、温度传感探头及其他各类传感探头等。原那么

上来说，任何一款能够将各物理量转换成电压信号并具备与示波器互连能力的传感器都可以作为示

波器探头，用户可以根据具体使用环境和需求选择适合的探头类型。

一一未完待续-----------------------------

作者介绍：

聂文伟先生于2021年毕业于北京交通大学电信学院，电磁场与微波技术专业，获工学硕士学位。

毕业后供职于ZTE中兴通讯股份，先后从事无线产品测试与海外营销方面的工作。2021年参加罗

德与施瓦茨公司，现任罗德与施瓦茨公司西安示波器业务开展工程师，主要负责西北地区的示波器

产品市场推广工作。

在？示波器探头根底入门指南〔上〕？一文中，我们主要介绍了示波器探头的种类及其工作原理，接

下来我们将介绍示波器探头的主要指标，如何选择示波器探头，以及在示波器探头的使用过程中应

该注意哪些问题。

2示波器探头的主要指标

2.1带宽

与示波器一样，示波器探头的频响类似一个低通响应。探头的带宽是指探头响应输出幅度下降到

70.7%〔-3dB〕时对应的输入信号频率。

图1探头频响及带宽定义

当示波器配合探头使用时，示波器+探头就构成了一套测量系统，此测量系统的带宽满足以下公式:

可见，探头带宽越高，对示波器带宽的影响也就越小。一般我们推荐示波器探头的带宽为示波器带

宽的1.5倍，即探头带宽略高于示波器带宽。

2.2上升时间

探头的上升时间是指探头对阶跃函数10%-90%的响应时间。一般而言，探头带宽越高，上升时间越

短。

与示波器一样，大多数探头的带宽与上升时间满足0.35公式，即：

Trise=0.35/BWprobe

示波器+探头测量系统的上升时间那么满足以下公式：

2.3输入阻抗

探头一般都标注了输入阻抗值，从50Q至10MQ甚至更高。探头的输入阻抗会严重影响探头的负载

效应〔将在第三节中详述〕。输入阻抗越大，探头的负载效应越小，对待测电路正常工作影响也就

越小。输入阻抗越小，探头的负载效应越大，对待测电路正常工作的影响就越大。

2.4输入电容

输入电容是有源探头的一项关键指标。有源探头的输入电容一般很小，小至pF甚至零点几pF。小

的电容会在高的频带上提供较大的输入阻抗，从而减小负载效应。由输入电容导致的输入阻抗公式

如下：

Rin=1/2nfCin

由以上公式可知，Cin越小，探头可以支持更高的带宽f,这也是为什么有源探头相对于无源探头而

言可以提供更大的带宽的原因。

2.5衰减比

一般探头都会对探测到的信号进展衰减，然后输送至示波器。最常见的衰减比为10:1,即信号衰

减为原始的十分之一，此时衰减比标注为10Xo此外，常见的还有1X、100X、1000X探头等。

2.6最大输入范围

探头都有最大输入范围，超过一定输入范围那么可能损坏探头。

3示波器探头使用考前须知

3.1负载效应

探头的负载效应是指被测电路接上探头后，探头与示波器一起组成了待测电路的并联负载，从而吸

引一局部电流流入示波器，对原始待测电路上的信号产品影响。如果负载效应很大，那么测到的波

形与原始波形变化很大，示波器就不能准确测量波形。

图2示波器探头接入引起负载效应

那么如何评判探头的负载效应呢？一般来说，探头接入的输入阻抗应为待测电路待测点处输出阻抗

的10倍以上，此时负载效应较小，测量误差在允许范围以内。

如下列图所示：

图3负载效应例如

在探头探测前，探测点的电压为5VX100KQ/1100Q+100KQ〕=4.995VO探头探测后，并联了一

个1MQ的阻抗，此时探测点的电压为：

5VX(90.9k)/[100+(90.9k)]=4.994V

此时，探头引入的负载效应仅为0.001V,可以忽略不计。如果待测点的输出阻抗更高，那么需要使

用更高输入阻抗的探头。

值得一提的是,当我们测试由信号源输出的射频信号时，一般使用的是50Q传输线缆。50Q的传输

线缆与信号源输出阻抗〔50。〕相匹配，使功率最大的传输至示波器，从而保证了测量精度。

而在某些时候，工程师希望测试电路板上某个探测点处的频谱，往往使用剪断的50Q传输线缆，在

剪断处剥离地和传输芯，用以接触探测点。线缆另一端那么连接至频谱仪。

图4前段剥离的50。传输线缆

这种做法那么是不可取的，电路板上的探测点与射频源的输出不同，由于传输线的50Q低阻抗，会

对测试点处引入较大的负载效应。正确的做法是，使用高输入阻抗的探头取代50。传输线缆，与频

谱仪连接。

R&S提供了RT-ZA9的BNC-N转接头方案，它可以将高输入阻抗的R&S有源探头〔1MQ〕与频

谱仪或接收机相连接，对需要高阻抗测试的DUT进展精准测量。

图5RT-ZA9转接头示意图

前面介绍过，探头一般含有电阻、容性阻抗和感性阻抗。电阻的负载效应会对信号DC分量测量造

成影响，对波形的幅度测量造成误差。容性阻抗对AC分量的测量造成影响，比方会影响〔延缓〕

信号的上升时间。感性阻抗那么会对波形测量引入振铃现象。

图6探头负载效应分类

3.2探头补偿

我们在与电子测量工程师的交流中，经常提到探头补偿的问题。当我们购置示波器后第一次使用时，

或者因探头资源紧张而临时拿其他品牌探头使用时，都会涉及到探头补偿问题。

所谓探头补偿是指示波器与探头连接使用时，调整探头的可变电容，在探头与示波器之间进展频率

补偿，使频率到达相对稳定的状态。当补偿完成后，具备如下关系式：

RscopeXCscope=RprobeXCprobe

即：为了最大限度地传送信号，示波器的输入电阻和电容必须与探头输出的电阻和电容相匹配，此

时探头具有最优信号传送能力。

那么如何进展探头补偿呢？

探头补偿一般针对无源探头而言〔有源探头也存在补偿〕，使用过无源探头的工程师可能会发现，

在无源探头与示波器接触的一端上有一个小孔，这个小孔内有一个十字旋钮。通过探头自带的螺丝

刀小工具即可深入小孔内调节探头的可调电容值。

图7调节无源探头的可调电容值

具体原理如下列图所示：

图8通过调节探头可调电容Ccomp来实现探头匹配

探头补偿的步骤如下：

•连接探头与示波器通道；

•将探头前端连接至示波器上的探头补偿口方波信号〔一般为1KHz、1V的信号〕；

•使用自带小工具调节探头可调电容，使得示波器上显示的方波信号的上下电平局部保持

平稳，即实现探头与示波器的匹配。

在调节探头时，示波器上显示的方波信号可能存在以下三种状态：

图9探头欠补偿、过补偿、匹配状态的波形

3.3谐振效应

在使用探头测量信号上升沿时，把示波器的时基范围调小，一般能看到在上升沿的过冲局部存在振

铃现象，即探头带来的谐振效应。

图10探头带来的振铃效应

探头不仅存在阻抗以及寄生电容，还存在寄生电感〔特别是在测试高频信号时〕。探头是由导线和

地线组成的，通常导线及地线越长，电感值就越大。探头上的寄生电感和寄生电容容易形成谐振回

路，在输入信号的鼓励下，在某些频率上产生高频减幅谐振，从而出现振铃现象。

图11振铃现象的产生

如下列图所示，探头的输入阻抗会在特定频率fx处到达最小值。

图12探头输入阻抗

此时探头的寄生电感、寄生电容以及待测信号源构成谐振回路，出现谐振效应，谐振频率为：

其中，Leon为探头寄生电感，Cin为输入电容。如果谐振频率刚好落在探头带宽范围之内，那么在

测试此频率的信号时会出现谐振现象。

为了降低这种效应，使用者往往使用最短的地线，从而减小探头的Leon寄生电感，使得fresonance

谐振频率最大化，从而超出示波器探头的带宽范围，也就进一步有效防止了谐振效应。

探头地线的长度严重影响谐振效应，以下列图片充分说明了地线长短对波形上升沿测量的影响。

图13不同长短的底线的谐振效应

由图示可知，地线越短，谐振效应越小，上升沿引起的振铃现象越不明显，此时的测量精度也就越

高。所以，在测试环境允许的情况下，尽可能地使用更短的地线。

3.4浮地测量问题

测量差分信号时，我们往往面临以下3种选择：

•使用两个通道CH1、CH2,分别测试差分信号两端,然后相减；

图14使用两个单端探头测量差分电压

•使用差分探头测试；

图15使用差分探头测量差分电压

•直接使用单端探头浮地测量；

图16使用浮地的方法测量差分信号

第1种方法需要两个通道及探头之间的完全一致性。即便如此，两个通道上产生的不同噪声也会对

测量结果造成影响,此种方法测试的CMRR共模抑制比很差，不作推荐。

第