示波器探头
示波器探头对测量结果的准确性以及正确性至关重要，它是连接被测电路与示波器输入端的电子部件。最简单的探头是连接被测电路与电子示波器输入端的一根导线，复杂的探头由阻容元件和有源器件组成。简单的探头没有采取屏蔽措施很容易受到外界电磁场的干扰，而且本身等效电容较大，造成被测电路的负载增加，使被测信号失真。
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示波器探头对测量结果的准确性以及正确性至关重要，它是连接被测电路与示波器输入端的电子部件。最简单的探头是连接被测电路与电子示波器输入端的一根导线，复杂的探头由阻容元件和有源器件组成。简单的探头没有采取屏蔽措施很容易受到外界电磁场的干扰，而且本身等效电容较大，造成被测电路的负载增加，使被测信号失真。
3.1 负载效应
所谓负载效应就是在被测电路上接入示波器时，有时示波器的输入电阻会对被测电路产生影响，致使被测电路的信号发生变化。若负载效应的影响很大，就不能准确地进行波形测量。若要减小负载效应，就需要将示波器一端的输入电阻增大。输入电阻越大，输入电容越小，负载效应就越小。
在示波器测量中，另外一种负载效应指的是探头对被测电路的负载效应，为保证测量的准确性，需要减轻探头对被测电路的负载效应，不至影响到被测信号，因此应选择高输入阻抗的探头。探头的输入阻抗可以等效为电阻与电容的并联。低频时(1MHz以下)探头的负载主要是阻抗作用;高频时(10MHz以上)探头的负载主要是容抗作用。为了减轻探头对被测电路的负载作用，应选择高阻抗、低容抗的探头，例如带宽100MHz用的无源探头，它的输入电阻是1~10Ω，输入电容是1~10pF。有源探头的负载作用优于无源探头，频率特性更好。
3.2 阻抗匹配
阻抗是电压和电流之比，在理想情况下，对被测仪器进行测试时不应影响它的正常工作，测量值也应和未接测试仪器时相同。当连接仪器进行测量时，要考虑阻抗对测量准确性的影响，为了保证仪器之间能够传送最大的功率，阻抗应该匹配。如果阻抗为纯电阻，应使输入阻抗与输出阻抗的值相等。如果阻抗包含电抗成分应使负载的输入阻抗与源的输出阻抗共轭匹配，这时能够传送最大功率。
阻抗匹配的阻抗值通常和使用的传输线的特性阻抗值一致。对于射频系统，一般采用50Ω阻抗。对于高阻抗仪器，由于等效并联电容的存在，随着频率升高，并联组合阻抗逐渐变小，将对被测电路形式负载。如1MΩ输入阻抗，在频率达到100MHz时，等效阻抗只有100Ω左右。因此，高带宽的示波器一般都采用50Ω输入阻抗，这样可以保证示波器与源端的匹配。但是使用50Ω输入阻抗时，必须考虑到50Ω输入阻抗的负载效应比较明显，此时最好使用低电容的有源探头。
3.3 电容负荷
随着信号频率或转换速率提高，阻抗的电容成分变成主要因素。结果，电容负荷成为主要问题，特别是电容负荷会影响快速转换波形的上升时间和下降时间及波形中高频成分幅度。
4.1 带宽和上升时间
探头的带宽是指导致探头响应输出幅度下降到70.7%(-3dB)的频率。上升时间是指探头对步进函数10~90%的响应，表明了探头可以从头部到示波器输入传送的快速测量转换。大多数探头，带宽与上升时间乘积接近0.35。在很多情况下，带宽由脉冲上升时间验证来保证最小失真。
4.2 电容
探头头部电容指标是指探头探针上的电容，是探头等效在被测电路测试点或被测设备上的电容。探头对示波器一端也等效成一个电容，这个电容值应该与示波器电容相匹配。对10×和100×探头，这一电容称为补偿电容，它不同于探头头部电容。下面将继续介绍补偿电容。
4.3 畸变(Aberration)
畸变是输入信号预计响应或理想响应的任何幅度偏差。在实践中，在快速波形转换之间通常会立即发生畸变，其表现为所谓的"减幅振荡"。没有规定极限畸变的高频探头可以提供使人完全误解的测量。存在畸变可以说明严重失真的带宽和滚降(roll-off)特性。
4.4 衰减系数
当正确接上终端时，探头应该有恒定的衰减系数。衰减系数是输出信号对输入信号的比值。某些探头的可能会有可以选择的衰减系数，典型的衰减系数是1×、10×和100×。1×档和10×档电路如图4所示，这两部分电路均由电阻电容组成。
4.5 探头衰减补偿
所谓探头衰减补偿是指当示波器和探头配合使用时，调整探头中的可变电容，以使频率达到相对稳定。探头补偿意味着在探头末端和示波器的输入端之间频率补偿。探头末端与示波器的输入端的关系如图5所示，调节C2可得如下关系:
图5 电容探头补偿电路
示波器的输入电阻虽然只有1MΩ，但是与其并联的输入电容却根据机种的不同而有差异。即使是同一机种，每个通道上的输入电容也不相同，所以，改变了示波器和探头的组合，相应的也要改变探头的相位补偿。
探头校准的方法如下:将探头与探头校准的方波信号输出端子相连，探头的特性为最佳状态时，如图6中(a)所示，若出现(b)，(c)所示的情况，请用改锥调整探头上的频率补偿微调电容器进行校准。
图6 探头校准示意图
4.6 额定最大电压
额定最大电压由DC + peak AC决定，即输出电压的直流值和交流峰值的总和不能超过示波器的额定电压最大值，如果超过这个额定最大电压，会损坏探头。
4.7 电压额定值随频率的下降
电压探头在低频时的最大输入电压有明确的规定，随着频率的增加输入电压会相应降低。对于高频探头必须注意输入电压随频率的变化，在频率高于1MHz时允许的输入电压随频率的增加而急剧下降。
1.1 示波器探头的定义
本质上，示波器探头是在测试点或信号源和示波器之间建立了一条物理和电子连接;实际上，示波器探头是把信号源连接到示波器输入上的某类设备或网络，它必须在信号源和示波器输入之间提供足够方便优质的连接。连接的充分程度有三个关键的问题:物理连接、对电路操作的影响和信号传输。
1.2 示波器探头的发展过程
在过去50年中，各种示波器探头接口设计一直在不断演进，以满足提高的仪器带宽速度和测量性能要求。在最早的年代，通常使用香蕉式插头和UHF型连接器。在20世纪60年代，普通BNC型连接器成为常用的探头接口类型，因为BNC体积更小、频率更高。BNC探头接口仍用于测试和测量仪器设计，当前更高质量的BNC型连接器提供了接近4GHz的最大可用带宽功能。
之后，某些厂家提出了普通BNC型探头接口设计变通方案，在使用BNC连接器的同时，额外提供了一个模拟编码的标度系数检测针脚，作为机械和电子接口设计的一部分，使得兼容的示波器能够自动检测和改变示波器显示的垂直衰减范围。
1.3 示波器探头的结构形式
大多数探头由探头头部、探头电缆、补偿设备或其他信号调节网络和探头连接头组成。如图1所示。
图1 探头的结构形式
为进行示波器测量，必须先能够在物理上把探头连接到测试点。为实现这一点，大多数探头至少有一两米长的相关电缆，如图1所示。但是探头电缆降低了探头带宽:电缆越长，下降的幅度越大。除了一两米长的电缆外，大多数探头还有一个探头头部或带探针的把手，探头头部可以固定探头，用户则可以移动探针，与测试点接触。通常这一探针采用弹簧支撑的挂钩形式，可以把探头实际连接到测试点上。
为了获得可用的测量结果，探针上的信号必须通过探头头部和电缆，以足够的保真度传送到示波器的输入。
这个因为一次性装好，本来就不允许拆的，要拆只能对外壳进行破坏性拆解，暴力拆解。示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波...
示波器的探头有非常多的种类，不同的性能，比如高压，差分，有源高速探头等等，价格也从几百到接近一万美元。价格的主要决定因素当然是带宽和功能。\n探头是示波器接触电路的部分，好的探头可以提供测试需...
一般惯例左输入右输出。只用过 10X 衰减的，也就是 10:1 的。没用过 1:10 这种放大 10X 的，有的话应是特殊的、稀有的。也可能他的 1:10 的意思是放大率 1/10，等于衰减 ...
市场上提供了数百种、甚至上千种不同的示波器探头。示波器探头的一个技术指标是频率特性，按频率划分探头的种类有其方便之处，但是示波器探头的频率覆盖范围有限很难按无线电频率的LF、HF、VHF、UHF、RF等波段来划分。示波器探头是所有探头中的一种，最常使用的探头是电压电流探头，而探头通常是按测量对象进行分类的，具体分类如图2所示:
2.1 无源电压探头 2.1.1 无源探头
无源探头由导线和连接器制成，在需要补偿或衰减时，还包括电阻器和电容器。探头中没有有源器件(晶体管或放大器)，因此不需为探头供电。无源探头一般是最坚固、最经济的探头，它们不仅使用简便，而且使用广泛。
2.1.2高阻无源电压探头
从实际需要出发，使用最多的是电压探头，其中高阻无源电压探头占最大部分。无源电压探头为不同电压范围提供了各种衰减系数1×，10×和100×。在这些无源探头中，10×无源电压探头是最常用的探头。对信号幅度是1V峰峰值或更低的应用，1×探头可能要比较适合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信号混合(几十毫伏到几十伏)的应用中，可切换1×/10×探头要方便得多。但是，可切换1×/10×探头在本质上是一个产品中的两个不同探头，不仅其衰减系数不同，而且其带宽、上升时间和阻抗(R和C)特点也不同。因此，这些探头不能与示波器的输入完全匹配，不能提供标准10×探头实现的最优性能。
2.1.3 低阻无源电压探头
大多数高阻无源探头的带宽范围在小于100MHz到500MHz或更高的带宽之间。而低阻无源电压探头(又称为50欧姆探头、Zo探头、分压器探头)的频率特性很好，采用匹配同轴电缆的探头，带宽可达10GHz和100皮秒或更快的上升时间。这种探头是为用于50欧姆环境中设计的，这些环境一般是高速设备检定、微波通信和时域反射计(TDR)。
2.1.4 无源高压探头
"高压"是相对的概念。从探头角度看，我们可以把高压定义为超过典型的通用10×无源探头可以安全处理的电压的任何电压。高压探头要求具有良好的绝缘强度，保证使用者和示波器的安全。
2.2 有源电压探头 2.2.1 有源探头
有源探头包含或依赖有源器件，如晶体管。最常见的情况下，有源设备是一种场效应晶体管(FET)，它提供了非常低的输入电容，低电容会在更宽的频段上导致高输入阻抗。可以从下面的Xc公式中看出:
2.2.2 有源FET探头
有源FET探头的规定带宽一般在500MHz ~4GHz之间。除带宽更高外，有源FET探头的高输入阻抗允许在阻抗未知的测试点上进行测量，而产生负荷效应的风险要低得多。另外，由于低电容降低了地线影响，可以使用更长的地线。
有源FET探头没有无源探头的电压范围。有源探头的线性动态范围一般在±0.6V到±10V之间。
2.2.3有源差分探头
差分信号是互相参考，而不是参考接地的信号。差分探头可测量浮置器件的信号，实质上它是两个对称的电压探头组成，分别对地段有良好绝缘和较高阻抗。差分探头可以在更宽的频率范围内提供很高的共模抑制比(CMRR)。
2.3 电流探头
从原理上来看，用电压探头测得电压值，除以被测阻抗值，很容易就可以获得电流值。然而，实际上这种测量引入的误差很大，所以一般不采用电压换算电流的方法。电流探头可以精确测得电流波形，方法是采用电流互感器输入，信号电流磁通经互感变压器变换成电压，再由探头内的放大器放大后送到示波器。
2.3.1 交流电流探头
交流电流在互感器中，随着电流方向的变化，产生电场的变化，并感应出电压。交流电流探头属于无源设备，无需外接供电。
2.3.2 直流电流探头
传统电流探头只能测量交流交流信号，因为稳定的直流电流不能在互感器中感应电流。然而，利用霍尔效应，电流偏流的半导体设备将产生与直流电场对应的电压。所以，直流电流探头是一种有源设备，需要外接供电。
所以电流探头基本上分成两类:即AC电流探头和AC/DC电流探头，AC电流探头通常是无源探头，AC/DC电流探头通常是有源探头。
2.4 逻辑探头
使用示波器观察分析数字波形的模拟特点时，需要用到逻辑探头，为隔离确切地成因，数字设计人员通常需要查看在具体逻辑条件下发生的特定数据脉冲，这要求逻辑触发功能。如图3为逻辑探头示意图，可以在大多数示波器中增加这种逻辑出发功能。
图3 逻辑探头示意图
2.5 其他探头
由于示波器的应用范围十分广泛，所以除了上述的探头类型外还有各种专用探头，这些专业探头根据其前端传感器的不同而有不同的功用，下面我们介绍其中的两种，仅供读者了解。
光电探头在原理上是普通电压探头与光电转换器件的组合，可直接测量光器件和光纤传输的光信号。
温度探头是普通电压探头与温度传感器的组合，可直接测量物体的温度。温度探头属传感器探头的一种，各种传感器探头与示波器配合可测量多种物理量。
数字示波器探头在使用时，要保证地线夹子可靠的接了地(被测系统的地，非真正的大地)，不然测量时，就会看到一个很大的50Hz的信号，这是因为示波器的地线没连好，而感应到空间中的50Hz工频市电而产生的。如果你发现示波器上出现了一个幅度很强的50Hz信号(我国市电频率为50Hz，国外有60Hz的)，这时你就要注意下看是否是探头的地线没连好。振动仪由于示波器探头经常使用，可能会导致地线断路。检测方法是:将示波器调节到合适的扫描频率和Y轴增益，然后用手触摸探头中间的探针，这时应该能看到波形，通常是一个50Hz的信号。如果这时没有波形，可以检查是否是探头中间的信号线是否已经损坏。然后，将示波器探头的地线夹子夹到探头的探针(或者是钩子)上，再去用手触摸探头的探针，这时应该看不到刚刚的信号(或者幅度很微弱)，这就说明探头的地线是好的，否则地线已经损坏。通常是连接夹子那条线断路，通常重新焊上即可，必要时可更换，注意连接夹子的地线不要太长，否则容易引入干扰，尤其是在高频小信号环境下。
数字示波器探头的地线夹子应该要靠近测量点，尤其是测量频率较高、幅度较小的信号时。因为长长的地线，会形成一个环，它就像一个线圈，会感应到空间的电磁场。另外系统中的地线中电流较大时，会在地线上产生压降，所以示波器探头的地线应该连接到靠近被测试点附近的地上。探头的X10挡具有更大的输入阻抗，如测量晶振的振荡波形时，应该使用探头的X10档。若采用X1挡，可能导致晶振停振，即或不停振，也有可能因过度改变振荡条件而看不到真实的波形了。
关于接地与示波器测量
关于接地与示波器测量
关于接地与示波器测量 一 .为什么示波器不能测量开关电源一次测的波形 零线与供电变压器有导线联接，在供电变压器处接地，用于供电。 地线在用电设备处接地，用于保护。 正常工作时， 零线与地线之间并非完全等电位， 因零线上流过全部用电电流 (不仅仅是这一台设备 )，该电流将在零线上产 生一定压降。 那是因为示波器探头的地线夹与示波器外壳相联接，而示波器外壳又与三脚电源插头的地线脚联接 (所以示波器用两脚脚 电源插头时外壳带 110Vac), 。 若把接三脚电源插头示波器探头的地线夹夹到 220V 交流输入的开关电源一次侧，相对于一次侧对地短路。 开关变压器 的原方是热地，副方是冷地 . 可以在示波器交流电源输入处加一个隔离变压器来避免，但仍需注意人身安全，测试时人体不可接触示波器外壳。 或者只要示波器的电源线用两根 pin 的就可以测 . 另外示波器的探头的接地端是与供电的地相连的，桥式整流
了解、选择和使用无源示波器探头
探头将示波器的输入端连接到受测试器件 (DUT) 上的测试点。探头分为很多类型，包括：高阻抗无源、低电容、单端有源、差分有源、高电压和电流探头。本文是有关探头选择和应用的三篇系列文章的第一篇，重点介绍无源探头。 第 2 部分和第 3 部分将分别介绍有源探头和电流探头。
无源探头是一种将示波器连接到受测试器件或电路的很好方法。它们具有低成本和高可靠性的优点，当正确使用时，还提供合理的信号完整性。本文将从工作原理入手，通过基本调节和使用，对无源探头进行探讨。我们将讨论影响正确测量的无源探头特征，旨在了解这些装置的最有效应用。
示波器通常提供 50 Ω 或 1 MΩ 的输入端接。50 Ω 端接通常与匹配的同轴电缆配合使用，以连接到带 50 Ω 电流源的电路元件。这样，不但可以实现高质量的互连，而且只产生最小的信号失真。使用 1 MΩ 输入端接来连接电路时，源阻抗更高。这种连接可以通过多种方式实现，包括直接使用电缆或 X1 探头，或者使用高阻抗探头（图 1）。
图 1： 将信号连接到示波器的 1 MΩ 输入端时，直接连接 (a) 与使用高阻抗探头 (b) 进行连接的电路简化图。
1 MΩ 输入端还包括从 15 至 25 pF 的分路电容。使用直接连接时，不匹配的电缆会增加额外的电容，每英尺电缆长度增加 10 至 30 微微法拉 (pF)。在 3 英尺长度电缆的典型情况下，电缆的探头端的负载为 1 MΩ，并联电容大约为 90 pF（图 1a）。对于低频率测量，电容负载可以忽略不计。例如，在 1 kHz 的频率下，容抗约为 1.8 MΩ。但是，对于更高频率的信号，效果会很差。在 100 MHz 的频率下，容抗降低至大约 18 Ω，这将大幅衰减信号。
如高阻抗探头（图 1b）所示可以减小示波器和连接电缆的输入电容的影响。此探头基本上是补偿衰减器。输入电阻器，标称为 9 MΩ，形成 10:1 衰减器，示波器使用 1 MΩ 输入端接。电容器 Cin 和 Ccomp 被用于补偿衰减器，并形成全通网络。当 Cin 和 Rin 的 RC 乘积等于 Ro 的 RC 乘积以及 Cin 和 Ccomp 的电缆电容的总和时，补偿比较理想。Ccomp 用于调节补偿。输入端的电容取决于 Cin，约为电路中的其他电容器的总和的十分之一。在本例中大约为 10 pF。
高阻抗无源探头几乎所有主要示波器供应商都在他们的设备中包括了一系列高阻抗探头。 Teledyne LeCroy 的 HDO4104A 四通道、1 GHz 示波器带有四个 PP018-1 探头。它们是 10:1 高阻抗无源探头，带宽为 500 MHz，输入电容为 10 pF。这些探头可处理至少 350 Vrms 的输入电压。
图 2： PP018 高阻抗探头的带宽为 500 MHz，输入电容为 10 pF。此处还显示了它附带提供的配件。
大多数无源探头使用衰减检测引脚，通知示波器自动缩放波形，而无需用户输入。
高阻抗探头的低频率补偿高阻抗探头通过低频率补偿过程，与它们连接到的通道相匹配。对于这个过程，所有示波器都提供低频率方波，一般频率为 1 kHz，通常称为 CAL 输出。要利用这项功能，请首先将探头连接到所需的通道，然后将探头尖端连接到 CAL 输出端。触发示波器并在屏幕上查看选定通道轨迹。使用调节工具，在探头连接器盒中更改补偿调节，以获取方波轨迹上的方角，如中间的轨迹所示（图 3）。
图 3： 通过调节补偿调节，获取 CAL 方波上的方角，对探头进行低频补偿，如中间的轨迹所示。
每当探头连接到不同通道时，就应该进行补偿，特别是在任何关键测量之前。很多高阻抗探头还提供高频补偿调节。通常不需要执行这种调节。探头手册提供了此测试的详细信息。
智能探测要正确应用高阻抗探头，必须注意它的基本原理，避免导致测量的波形出现失真。例如，探头的输入电容将对测量产生什么影响？
为了找到问题答案，请计算探头在信号的最高频率分量处的容抗 (1/2πfCin)。受测试电路是否支持该负载？如果支持，请继续测试。如果不支持，请寻找不同的探测解决方案，例如有源探头（本系列文章的第 2 部分）。一条很好的经验法则是，高阻抗探头的使用应限于 25 MHz 以下频率的信号。探头手册通常提供了探头输入阻抗与频率的曲线图，以帮助评估探头在任何特定频率下的适用性。
探头配件也可能导致问题，特别是在高频率下。一种情况是接地引线电感。图 2 显示的接地引线长度约为 4.3 英寸 (11 cm)。它有很大的电感。当探头连接时，电感两端的任何电压都将与信号串行。让接地路径长度尽可能短是可取的做法。为此，探头附带提供了多种配件。其中包括探头尖端接地和 BNC 适配器，可用于这种目的。图 4 比较了使用不同接地配件来测量阶跃信号的结果，上升时间为 3 纳秒 (ns)。
图 4： 显示接地引线电感对信号的影响：让接地引线尽可能短是可取的做法，因为它与信号串行产生电感。
图 4 中的黄色轨迹是来自发生器的信号，它使用 50 Ω 输入端接进行测量得到，将作为信号质量的基准。红色轨迹为使用 11 cm 接地引线的结果。引线电感两端形成的信号的高频分量导致了可观察到的波形过冲。探头尖端接地和 BNC 适配器具有大致相同的响应，但过冲却小得多，因为接地路径长度更短，且各自串联电感也比较低。
正如上文所述，只有在信号具有很大的高频分量时，才会出现这种效果。如果使用正弦波进行相同的测量，差异可能根本不明显。在使用探头时，请牢记这些效应。
探头配件及其用途表 1 列出了 PP018-1-ND 探头附带提供的配件及其用途。
表 1： PP018 探头附带提供的配件及其用途（请参考图 2）。
为示波器选择备选探头有些时候，测量应用可能需要不同的示波器探头。例如，电源测试既需要直接连接，以便进行纹波测量，又需要 x10 高阻抗探头，以便测量电压轨。如果必须在两个探头之间切换，那将会耗费很多时间，但 Digi-Key 列出了多个 x1/x10 可切换探头。这意味着用户无需更换探头，但如何确定适当的替代探头呢？
第一个步骤是确定测量所需的带宽。在本例中，100 MHz 以下的探头带宽即可满足需求。确定探头的最大额定电压，以确保它符合测量要求。最后，确认示波器的输入电容在探头 x10 规范的补偿范围内。
SP300B x1/x10 可切换探头非常适合与具有 15 pF 输入电容的 HDO 4104A 示波器配合使用，带宽为 300 MHz，最大输入为 300 伏特，补偿范围为 10 至 35 pF。
结论要正确应用高阻抗无源探头，就需要掌握有关测试问题和技术的基本知识，还需要具备一些经验，此类探头是一种很好的通用工具，用于将示波器连接到测试电路。请记住，它们并不是探测问题的唯一解决方案，但提供了经济高效的着手点。
了解、选择和有效使用有源示波器探头
编者按：这篇有关有源探头的文章是关于探头及其正确使用方法的三部曲系列文章的第二篇。第 1 部分介绍了高阻抗无源探头。本文将讨论单端、差分、高压差分有源探头。第 3 部分将介绍电流探头。
与无源探头相比，有源探头可提供更大的带宽和更低的输入电容。在本文中，我们将对照无源探头来介绍有源探头的特征。我们将同时对单端和差分探头进行研究，另外还将介绍探头配件的正确使用方法。
为什么使用有源探头？无源探头非常适合带宽在 50 MHz 以下的测量应用。这是因为无源探头的输入电容在 9 或 10 皮法 (pF) 范围内。这样可以加载受测试器件。这些负载效应随着频率提高而增加。为了避免这种负载效应，有源探头在无源探头的补偿衰减器和示波器输入之间插入了一个放大器（图 1）。
该放大器对连接电缆进行缓冲，让电缆能够端接到标称值为 50 Ω 的特征阻抗。这样可将探头与电缆的容性负载和示波器的输入电路隔离开。该放大器旨在最大程度减小输入电容，标称值为 4 pF。而补偿衰减器进一步减小了此电容。为实现 10:1 衰减，预期的输入电容约为 0.4 pF。但是，输入保护电路和探头尖端五金额外增加了电容。
Teledyne LeCroy ZS1000 1 GHz 单端有源探头是典型的有源探头，具有 0.9 pF 的输入电容和 1 MΩ 的输入电阻。
图 1：高阻抗无源探头和单端有源探头的简化原理图，放大器对连接电缆和示波器输入进行缓冲，同时提供低输入电容。
低输入电容扩大了有源探头的有用频率范围。在图 2 中可以看到这一点，该图将 10:1 高阻抗无源探头的输入阻抗与 ZS1000 的输入阻抗进行了比较。
图 2：高阻抗无源探头和 ZS1000 单端有源探头的频率输入阻抗函数曲线。
相比无源探头的 10 MΩ 输入阻抗和 9.·5 pF 输入电容，ZS1000 的输入阻抗为 1 MΩ，输入电容为 0.9 pF。在高于 20 kHz 的频率下，ZS1000 的输入阻抗高得多，因而信号负载较小。在 500 MHz 的频率下，ZS1000 的输入阻抗为 354 Ω，而无源探头的输入阻抗则为 34 Ω。
也许最好的比较方式是查看不同探头对快速边沿的响应差异（图 3）。
图 3：使用 50Ω直接连接、无源探头、ZS 系列有源探头时，示波器对快速边沿的响应。
50 Ω 直接连接的响应被用作参考波形。有源探头响应与参考波形几乎无法区分。由于输入电容较高，无源探头响应有圆角。注意测量的上升时间。参考波形的上升时间（参数读数 P1）为 456 皮秒 (ps)，有源探头 (P2) 的上升时间则为 492 皮秒。无源探头的上升时间 (P3) 为 1.8 纳秒 (ns)。
在带宽相同的情况下，有源探头的性能通常优于无源探头。但还必须记住，有源探头需要电源。由于这个原因，有源探头几乎针对不同制造商的示波器均提供了专用连接器。对于 ZS1000 有源探头，它配备了 Teledyne LeCroy ProBus 接口，用于从示波器为探头供电。该接口让探头与示波器连为一体，因而示波器的前面板可以感应和完全控制探头。
与无源探头相比，有源探头的输入电压范围也比较小。对这一点需要特别注意，以防止损坏探头。ZS1000 探头的输入电压范围为 ±8 伏特，最大无损电压为 20 伏特。此电压范围大于当前使用的任何逻辑电平的电压需求，因而这些探头非常适用于高速逻辑测量。
探头配件ZS1000 探头附带了多种配件（图 4）。请注意，大多数探头尖端和接地引线非常小。物理尺寸较小意味着电容和电感较低，这意味着受测试电路的负载较小。较长的接地引线和微型夹适用于低频应用，它们增加的电抗并不会影响测量。
图 4：ZS1000 1 GHz 有源探头附带了大量配件，包括适用于低频信号的长接地引线，还有各种尖端，它们让用户能够更容易对测试点进行操作。
标准探头尖端是针对常规探测而设计的。弹针式尖端和接地引线提供了垂直顺性，确保了有效接触，而不产生不适当的机械压力。除了在最尖端处之处，IC 尖端是绝缘的，旨在防止相邻的 IC 引脚意外短路。弯曲尖端非常适合在相邻元器件下方进行探测，适用于探头必须与板保持平行的应用。方针适配器传送信号和接地引线，采用标准的 2.54 mm 引脚间距。
接地引线包括窄型和宽型接地片。接地片具有低电感接地连接的优点。它们通常与铜垫配合使用。铜垫背侧具有粘性，粘贴到 IC 上。然后，它可以直接焊接到 IC 接地引线，提供接地电感很低的连接。偏移接地的目的是连接到探头接地插座并环绕探头。这使探头尖端和接地都能保持小间距，同时让接地引线非常短。
差分探头差分探头可测量两个输入端之间的电压差。单端探头可测量单个点和地面之间的电压，而差分探头无需接地即可测量两个输入端之间的电压。当需要在不以地面为基准的开关模式电源中的线路端电路上进行测量时，这是非常有用的。
由于差分探头测量两个输入端之间的差值，因此两个输入端共同的信号，称为共模信号，将被抵消或幅度显著减小。这意味着两个输入端共同的偏置电平、噪声、串扰可能被抵消，至少幅度会显著减小。
下面显示了差分探头的概念框图（图 5）。图中包括一个受测试器件，模型为差分源，具有共模元件。
图 5：差分探头与受测器件概念图，其中受测器件模型化为具有共模元件的差分源。
差分探头的核心元件是差分放大器。差分放大器输出是 + 和 – 输入端之差。在差分放大器前面，电路看起来像是两个单端有源探头。如图所示，差分探头输入端连接到通用差分源，包括两个差分元件 Vp 和 Vn，还有一个共模源 Vcom。
理想的差分探头的工作方式如下：上方 (+) 探头输入端的电压为 Vp + Vcom。下方 (-) 探头输入端的电压为 – Vn + Vcom。将这些输入施加到差分放大器上，会产生 Vp+Vn 的输出，假定单位增益。共模信号现已消除。
共模信号在差分探头中衰减的程度取决于共模抑制比 (CMRR)。CMRR 是差分探头的差分增益与共模增益的功率比，以分贝 (dB) 表示。CMRR 通常取决于频率，随着频率提高而降低，且通常指定为多个频率。
Teledyne LeCroy ZD1000 探头就是一例 1 GHz 带宽差分探头，差分输入范围为 ±8 伏特，在 60 Hz 频率下 CMRR 为 60 dB（图 6）。该探头旨在用于 Teledyne LeCroy 示波器。其差分输入电阻为 120 kΩ，差分输入电容小于 1 pF。
图 6：使用小型 IC 适配器的 ZD1000 差分探头。这些探头尖端一侧有绝缘，以防止与相邻 IC 引脚短路。它们还具有低电感电阻补偿，以减少电感峰值。
ZD1000 还包括多个探头尖端适配器，以满足很多探测应用的需求。要记住，差分探头的探测配置应该是对称的，两个输入端都使用相同的适配器，以达到尽可能最好的 CMRR。
高电压差分探头差分探头的关键优点是输入不以地面为基准，具有衰减共模信号的能力。在测试开关模式电源器件时，这些特性也可能是非常有用的，在这种情况下，线路侧不以地面为基准。高压差分探头，例如 Teledyne LeCroy HVD3106，适用于此类应用（图 7）。
图 7：Teledyne LeCroy HVD3106 探头和相关配件的设计目的是按照 IEC/EN 61010-31:2015 标准进行安全的高压探测。
该探头的最大差分电压为 1500 伏特。实现如此宽的电压范围的方法是在差分放大器前面使用 500:1 衰减。在 60 Hz 的频率下，探头的 CMRR 为 85 dB。此外，探头及其配件的物理配置的目的是小心探测高电压，安全等级符合 IEC/EN 61010-31:2015 标准。
结论有源探头具有增加带宽和降低探头负载的优点。差分探头的价值在于增加地面隔离能力，减少共模信号。而专有接口可将这些探头完全集成到示波器用户接口中，使得安装和操作更加简单。
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有源探头是一种输入阻抗又高带宽又高的探头，其实有源探头也是个广泛的说法，是指需要供电的探头。应用比较广泛的有源电压探头的原理如下。
有源探头的前端有一个高带宽的放大器，放大器是需要供电的，这也是有源探头名称的由来。我们知道放大器的输入阻抗都是比较高的，所以有源探头可以提供比较高的输入阻抗；同时放大器的输出驱动能力又很强，所以可以直接驱动后面50欧姆的负载和传输线。由于50欧姆的传输线可以提供很高的传输带宽，再加上放大器本身带宽较高，所以整个探头系统相比无源探头就可以提供更高带宽。 我们可以看到有源探头的所有优异特性都是由其前端的放大器带来的，但是这个高带宽的放大器造价很高，而且又要放在探头前端有限的空间内，因此实现成本很高。一般无源探头的价格都是几百美金左右，而有源探头的价格普遍在几千美金量级，所以有源探头一般用在需要高的测量带宽的场合。 但是有源探头也不是没有缺点，限制有源探头广泛应用的除了价格因素外，另外一个原因在于其有限的动态范围。我们知道象这种高带宽放大器的输入电压范围是不可能很大的，所以它不可能象无源探头有那么大的测量范围。一般常用的10：1的无源探头的动态范围普遍在几百伏，而一般有源探头的典型动态范围都在几伏左右，所以应用场合会有一些限制。 有源探头里还有一个分支是差分有源探头，区别在于其前端的放大器是差分放大器。差分放大器的好处是可以直接测试高速的差分信号，同时其共模抑制比高，对共模噪声的抑制能力比较好。
还有一种有源探头是电流探头，电流探头使的前端有一个磁环，使用时这个磁环套在被测的供电线上。由于电流流过电线所产生的磁场就被这个磁环收集到，磁通量和电线上流过的电流成正比。磁环内部有一个霍尔传感器，可以检测磁通量，其输出电压和磁通量成正比。因此，电流探头的输出电压就和被测电线上流过的电流成正比。典型电流探头的转换系数是0.1V/A或0.01V/A。 电流探头的主要好处是不用断开供电线就可以进行电流测量，同时由于其基于霍尔效应，所以即可以进行直流测量，也可以用于交流测量。电流探头的典型应用场合是系统功率测量、功率因子测量、开关机冲击电流波形测量等。电流探头的主要缺点在于其小电流的测量能力受限于示波器的底噪声，所以小电流测量能力有限。一般小于10mA的电流就很难测量到了。
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在了解探头的结构之前，需要先了解一下示波器输入接口的结构，因为这里是连接探头的地方，示波器的输入接口电路和探头共同组成了我们的探测系统。
大部分的示波器输入接口采用的是 BNC 或兼容 BNC 的形式。示波器的输入端有 1M 欧姆或 50 欧姆的匹配电阻。示波器的探头种类很多，但是示波器的的匹配永远只有 1M 欧姆或 50 欧姆两种选择，不同种类的探头需要不同的匹配电阻形式。 从电压测量的角度来说，为了对被测电路影响小，示波器可以采用 1M 欧姆的高输入阻抗，但是由于高阻抗电路的带宽很容易受到寄生电容的影响。所以 1M欧姆的输入阻抗广泛应用与 500M 带宽以下的测量。对于更高频率的测量，通常采用 50 欧姆的传输线，所以示波器的 50 欧姆匹配主要用于高频测量。传统上来说，市面上 100MHz 带宽以下的示波器大部分只有 1M 欧姆输入，因为不会用于高频测量；100MHz～1GHz 带宽的示波器大部分有 1M 欧姆和 50 欧姆的切换选择，同时兼顾高低频测量；2GHz 或更高带宽的示波器由于主要用于高频测量，所以大部分只有 50 欧姆输入。不过随着市场的需求，有些 2GHz 以上的示波器也提供了 1M 欧姆和 50 欧姆的输入切换。 广义的意义上说，测试电缆也属于一种探头，比如 BNC 或 SMA 电缆，而且这种探头既便宜性能又高。但是使用测试电缆连接时需要在被测电路上也有 BNC或 SMA 的接口，所以应用场合有限，主要用于射频和微波信号测试。对于数字或通用信号的测试，还是需要专门的探头。 示波器的探头按是否需要供电可以分为无源探头和有源探头，按测量的信号类型可以分为电压探头、电流探头、光探头等。所谓的无源探头，是指整个探头都由无源器件构成，包括电阻、电容、电缆等；而有源探头内部一般有放大 器，放大器是需要供电的，所以叫有源探头。
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一文了解有源示波器探头/无源示波器探头