在电子工程师的日常工作中，示波器是一款不可或缺的测量仪器。而示波器探头，则是让示波器发挥作用的关键配件。它就像一座沟通的桥梁，将被测电路和示波器的输入端连接起来。
一、挑选探头的关键要点
在选择示波器探头之前，仔细阅读示波器的说明书是必不可少的，这样才能清楚这台示波器适合什么样的探头。以下这些方面是挑选探头时需要重点考虑的：
（一）接口匹配
探头的接口必须和示波器的接口严丝合缝地适配。大多数示波器使用的是 BNC 接口，不过也有部分示波器采用 SMA 接口。这就好比钥匙和锁的关系，只有接口匹配，才能确保探头和示波器顺利连接，进行有效的信号传输。
（二）阻抗与电容匹配
探头的输入阻抗和电容要和示波器的输入阻抗与电容完美契合。我们都希望探头对被测电路的影响越小越好，因为探头与示波器在阻抗和电容方面的匹配程度，会直接影响测量信号的准确性。
有些示波器支持在 50 Ω 和 1 MΩ 输入阻抗之间切换。不过，在大多数测量场景中，1 MΩ 的输入阻抗更为常见。50 Ω 的输入阻抗通常用于测量高速信号，比如微波，还有逻辑电路中的信号传输延迟和电路板阻抗测量等。
示波器的输入阻抗一般固定为 1 MΩ 或 50 Ω，但输入电容会受到带宽和其他设计因素的影响。通常，1 MΩ 阻抗的示波器，常见的输入电容是 14pF，这个数值可能在 5pF 到 100pF 之间波动。所以，在选择探头之前，我们要了解探头的电容范围，然后通过校准棒来调节探头的电容，这就是探头的补偿，也是使用探头时的首要步骤。
二、按需选择探头数量和类型
根据不同的测量需求，我们对探头的数量和种类要求也不一样。这就好比我们去厨房做饭，面对不同的菜品，需要用到不同的厨具。如果只是简单地测量直流电压，那么 1 MΩ 的无源探头就像一把普通的菜刀，基本就能满足需求。但要是在电源系统测试中，经常需要测量三相供电中火线与火线，或者火线与零（中）线的相对电压差，那就得使用差分探头，它就像是一把专业的雕刻刀，能完成更精细的工作。
三、常见探头类型及特点
（一）无源探头
无源探头是最常见的一种探头，购买示波器时，厂家通常会标配几个。它主要由探头头部、探头电缆、补偿设备或其他信号调节网络以及探头连接头组成。简单来说，无源探头就像是一辆没有发动机的自行车，里面没有晶体管或放大器等有源元件，所以不需要额外供电。这种探头不仅常见，使用起来也很方便，而且价格相对便宜，就像自行车一样，容易上手且成本较低。
常见的无源探头有不同的可调衰减比例，包括：
- 1×：不进行衰减，就好比自行车在平地上正常骑行，没有额外的阻碍。
- 10×：10 倍衰减，相当于给自行车加上了一定的阻力，让骑行变得更有挑战性。
- 100×：100 倍衰减，如同自行车在陡峭的山坡上骑行，阻力大幅增加。
- 1000×：1000 倍衰减，就像是自行车在极其险峻的山路中前行，难度极大。
无源电压探头能针对不同的电压范围提供各种衰减系数。其中，10× 无源电压探头是使用最为广泛的。对于信号幅度为 1V 峰峰值或更低的应用，1× 探头可能更为合适，甚至是必不可少的，就像在平坦的小道上，自行车不需要额外的阻力就能轻松前行。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× 探头会带来很大的便利。不过，可切换 1×/10× 探头实际上相当于一个探头里包含了两个不同的探头，它们不仅衰减系数不同，带宽、上升时间和阻抗（R 和 C）特点也存在差异。因此，这些探头无法与示波器的输入完全匹配，也就不能达到标准 10× 探头的最佳性能。
探头的衰减功能是通过内部电阻器来实现的，这个内部电阻器和示波器的输入电阻一起构成了一个分压器。例如，一个典型的 10x 探头内部有一个 9MΩ 的电阻器，当它与输入阻抗为 1MΩ 的示波器连接使用时，会在示波器的输入通道上产生 10：1 的衰减比。这意味着示波器上显示的信号幅度只是实际测量信号幅度的 1/10，所以我们还需要在示波器的通道设置里将衰减比也调整为 10X（如下图）。
这种衰减功能让我们能够测量超出示波器电压限制范围的信号。而且，衰减电路会使电阻增大（通常这是有益的），电容减小，这对于高频测量非常重要。
（二）有源探头
有源探头因为包含了晶体管和放大器等有源部件，所以需要外部供电，这就好比一辆汽车，需要发动机提供动力才能行驶，因此被称为有源探头。最常见的有源设备是场效应晶体管（FET），它具有非常低的输入电容，低电容能在更宽的频段上使输入阻抗变高。有源 FET 探头的规定带宽一般在 500MHz ～ 4GHz 之间。
与无源探头相比，有源 FET 探头除了带宽更高之外，其高输入阻抗允许在阻抗未知的测试点上进行测量，产生负荷效应的风险也小很多。另外，由于低电容降低了地线的影响，我们可以使用更长的地线。不过，有源探头的电压范围不如无源探头大，其线性动态范围一般在 ±0.6V 到 ±10V 之间。就像汽车虽然动力强劲，但续航里程可能不如自行车长一样。
（三）差分探头
差分探头是专门用于测量差分信号的。差分信号是相互参考，而不是参考接地的信号。差分探头可以测量浮置器件的信号，它实际上是由两个对称的电压探头组成的，这两个探头对地都有良好的绝缘性和较高的阻抗。差分探头能够在更宽的频率范围内提供很高的共模抑制比（CMRR）。
和普通的单端信号走线相比，差分信号具有以下三个显著的优势：
- 抗干扰能力强：由于两根差分走线之间的耦合效果很好，当外界存在噪声干扰时，几乎会同时耦合到两条线上，而接收端只关注两信号的差值，所以外界的共模噪声能够被最大程度地抵消。这就好比两个人手牵手走路，遇到大风时，两人受到的风力影响基本相同，他们之间的相对位置不会改变。
- 有效抑制 EMI：同样的道理，因为两根信号的极性相反，它们对外辐射的电磁场可以相互抵消，两根线耦合得越紧密，泄放到外界的电磁能量就越少。就像两个人一个向前走，一个向后走，他们产生的力量相互抵消，对外界的影响就会减小。
- 时序定位精确：差分信号的开关变化发生在两个信号的交点处，不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压来判断，因此受工艺和温度的影响较小，能够减少时序上的误差，同时也更适合低幅度信号的电路。目前流行的 LVDS 就是这种小振幅差分信号技术。这就好比两个人在赛道上跑步，他们相遇的时刻是非常明确的，不受外界环境的影响。
差分放大原理是将一对信号同时输入到放大电路中，然后进行相减，从而得到原始信号。差分放大器是由两个参数特性相同的晶体管用直接耦合方式构成的放大器。如果两个输入端输入大小相同、相位相同的信号，输出将为零，这样就能克服零点漂移的问题。
（四）电流探头
可能有人会觉得，用电压探头测出电压值，再除以被测阻抗值，就可以得到电流值，为什么还要专门使用电流探头呢？实际上，这种通过电压换算电流的方法会引入非常大的误差，所以一般不采用这种方式。
电流探头能够精确地测量电流波形，它采用电流互感器输入，信号电流磁通通过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。电流探头主要分为两类：交流电流探头和交直流电流探头。交流电流探头通常是无源探头，不需要外接供电；而交直流电流探头通常是有源探头。
传统的电流探头只能测量交流信号，因为稳定的直流电流无法在互感器中感应出电流。交流电流在互感器中，随着电流方向的变化会产生电场的变化，从而感应出电压。不过，利用霍尔效应，带有电流偏流的半导体设备能够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。
四、使用探头的实用建议
（一）正确补偿探头
不同的示波器输入电容可能存在差异，即使是同一台示波器，不同通道的输入电容也可能会有细微的不同。为了解决这个问题，工程师必须掌握给探头进行补偿调节的技能，这就好比给自行车调整车座高度，只有调整到合适的位置，骑行起来才会舒适。
（二）确保接地良好
当探头与被测电路连接时，探头的接地端一定要与被测电路的地线连接在一起。如果处于悬浮状态，示波器与其他设备或大地之间的电位差可能会导致触电事故，或者损坏示波器、探头或其他设备。这就好比我们使用电器时，一定要确保接地良好，否则可能会有触电的危险。
（三）缩短接地导线
尽量让探头的接地导线靠近被测点。接地导线过长，可能会导致振铃或过冲等波形失真现象，影响测量结果的准确性。这就好比放风筝时，线太长容易受到风的影响，导致风筝不稳定。
（四）使用专业差分探头进行差分测量
如果两个测试点都不处于接地电位，要进行 “浮动” 测量，也就是差分测量，就必须使用专业的差分探头，以确保测量的准确性。这就好比我们在进行精细的手术时，必须使用专业的手术工具一样。
探头对于示波器的测量起着至关重要的作用。一方面，我们希望探头对被测电路的影响尽可能小；另一方面，要保证测量值具有足够的信号保真度。如果探头以任何方式改变了信号或者电路的运行方式，示波器所显示的实际信号就会严重失真，进而可能导致错误或误导性的测量结果。因此，在探头的选购和使用过程中，有许多方面需要我们格外注意。