随着高速串行信号的速率越来越快，对示波器和探头的要求也越来越高，有些工程师虽然用了很高带宽的示波器观测信号，但是，使用示波器测试过程中却无法得到正确的波形。问题出在哪里？原因很可能是探头使用不正确，如果探头性能不佳或使用方法不正确，就可能导致无法正确完成测试，本文将详细介绍探头原理、探头的类型、探头选择和使用、探头的注意事项等。

一. 什么是探头？

    探头是仪器与待测电路之间连接的导体，可能是：一段导线、电缆、传感器、探头等。示波器探头是把测试信号传送到示波器通道的连线，当接上探头，探头就成为电路的一部分，信号频率使其形成的电阻、电容和电感性负载。因此，针对不同的应用，应正确地选择探头，使负载效应小，信号才能得到精准的复现。

    探头的定义：从待测电路获取小的能量，并以大的信号保真度传送至测试仪器的设备。正确的选择探头可以扩展示波器的的功能，而错误的使用探头会降低示波器的测试能力，甚至导致人员安全问题。

二. 为什么要用探头？

     示波器作为电子工程师常用的时域测量仪器之一，如何把被测信号正确并安全地引到示波器的通道上？示波器探测信号，一般有两种连接方式，一种是利用同轴电缆把被测信号接到示波器的通道，第二种是利用探头把测试信号接到示波器的通道。大部分工程师在做电路调试的过程中，无法利用同轴电缆把被测信号接到示波器的通道，一般会利用探头把被测信号传送到示波器的通道；另外有些一致性测试也无法利用同轴电缆把被测信号接到示波器的通道，例如：DDR测试、MIPI测试等，同时需要利用多个探头把被测多路信号引到示波器的通道完成测试。因此探头对测试至关重要。如果没有探头，很多信号将无法完成测量。探头是在被测信号和示波器的输入通道之间的桥梁。因此，如何使用正确使用探头，对于更好地使用示波器测试来说非常重要。如何正确选择和使用探头成为工程师们要面对的一大难题！

    探头是将被测信号输入到示波器通道，探头对于测试非常重要。使用探头时首先要考量的是人员的安全问题，特别测试高压和大电流时；其次要保证测试的精度，接入探头必然会对被测电路产生影响，正确选择和使用探头，降低探头对测试结果带来的影响，提高信号保真度。

三. 探头的分类

    示波器的探头类型：电压探头、逻辑探头、电流探头、温度探头、传感器、光电探头等。其中电压探头是工程师使用多的示波器探头。电压探头分为无源探头和有源探头。有源探头分：单端探头、差分探头、三模探头等类型。

电压探头：大多数示波器的探头是电压传感器，探测电压信号并传送到示波器通道中；

电流探头：利用霍尔效应测磁场，通过测量电路周围磁场的变化来得到电流信号，并传送到示波器输入端；

光电探头：探测光信号，并将光信号变换为电压信号，然后输入到示波器通道；

温度、机械等传感器：用于测量不同的现象；

数字逻辑探头：用于探测多路并行的数字信号，进行逻辑分析功能。

有源电源轨探头：测量 DC 电源轨上的纹波而设计的低噪声、大偏置范围的电压探头。

光隔离探头：采用创新的光隔离技术，IsoVu 光隔离探头在被测器件和示波器之间实现了全面电流隔离。

四. 电压探头电路结构

4.1 1X无源电压探头：优点是没有衰减和价格便宜，缺点是：高反射量、电容大、带宽低。

4.2 10X无源电压探头

4.3 50欧姆的10X无源电压探头

4.4 10X有源电压探头

4.5 有源差分电压探头

    有源差分探头结构如下图，通过差分探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用50欧姆输入阻抗。差分探头带宽非常高，目前业内高带宽可达33GHz，但是价格相对较高，动态范围也较小，比较脆弱。高带宽差分探头适合测试高速差分信号。

五.什么是电源轨探头？

    电源轨探头专门为精准测量电源的纹波和噪声设计的探头。现代电子产品的功能越来越多、密度越来越高、开关速度越来更快，正推动着对更低的供电电压的需求。工程师需要查找高频干扰信号，测量更小的纹波，更大带宽的电源噪声，示波器通常没有足够的偏置把DC上的噪声和纹波移到屏幕中心来进行测量。泰克的TPR1000 和 TPR4000电源轨探头提供了低噪声、高带宽及60V大偏置范围来探测DC电源的噪声和纹波。

六. 什么是光隔离探头？

    IsoVu 光隔离探头采用光电传感器，把输入信号转换成光调制，在电气上把被测器件与示波器隔开。IsoVu探头采用4个单独的激光器、一个光传感器、5条光纤及完善的反馈和控制技术。IsoVu结构及电流隔离技术在整个频率范围内提供了大于2000Vpeak的耐受电压。IsoVu光隔离探头可以支持几千伏的电压上限。由于采用创新的光隔离技术，IsoVu光电隔离探头在被测器件和示波器之间实现了全面电流隔离。IsoVu光电隔离探头在100MHz以下时提供了1000000:1的共模抑制比，在1GHz以下时提供了10000:1的共模抑制比，且在频率提高时其额定值不会下降。

IsoVu 探头的优势

    IsoVu 技术使用光纤供电和光模拟信号路径，在测量系统和DUT之间实现完全光电隔离。这种隔离的重要优势是允许探头在共模电压下独立浮动。

160dB(100,000,000:1)CMRR@DC

100MHz时高达120dB (1,000,000:1)CMRR

1GHz时高达80dB(10,000:1)CMRR

±60kV 共模电压范围

高达±2500V差分输入电压范围

高达±2500V偏置范围

IsoVu 探头主要应用

    在传统硅器件中， 开关速度不是太快，普通差分探头就能观测到信号。但是GaN和SiC 这样的复合半导体对传统探头来说速度太快了，开发复合半导体器件时，需要IsoVu光隔离探头探测信号。

• 使用SiC或GaN、FET或IGBT的半/全桥设计

• 浮动测量

• 功率转换器设计

• 电源设备评估

• 开关电源设计

• 逆变器设计

• 电机驱动设计

• 电子镇流器设计

• EMI 和 ESD 故障排除

IsoVu 探头主要指标参数

七.什么是三模探头？

    高速串行信号都采用在较高的共模电压上使用小电压摆幅的逻辑电平。由于差分信号的特点，串行标准往往规定一致性测试需包含：差分、单端、共模测试。测差分信号，一般需要利用差分探头，测单端信号一般利用单端探头(也可以利用差分探头)，测共模信号，一般利用两根单端探头，虽然差分探头可用于单端、差模和共模测量，但是每一种测量模式中，探头到DUT 的物理连接都不一样。TriMode三模探头有差分、单端、共模三个工作模式，只要一次连接，就可以完成差分、单端、共模三种测试。

TriMode三模探头的佳用法

为了充分利用TriMode探头的优点，尽量遵循下述佳做法：

为保证完成测试，一定要检查并确定探头工作在正确的工作模式；

在接入示波器的探头柄的上部和端部，都有输入模式的指示灯，通过观察指示灯可以快地选择输入模式；

如果要使用完整的TriMode功能，则必须连接A，B 和一个接地端；

选择适当的TriMode探测前端来完成测试需求；

TriMode 三模探头型号

八. 有源探头的连接前端

    如何与测试点的物理连接是探测的关键之一。利用探头探测信号，探头的前端方便地进行物理连接，根据测试应用和需求，选择与DUT相适应的探头前端适配器去探测信号，以达到佳的探测效果以及探测快捷和方便。目前，高带宽有源探头都采用分离式的设计方法，把探头放大器(探头的主体)与探头前端分开，这样设计的优势如下：

1、可更换和支持不同探测前端，使得探测信号更加灵活和方便，满足不同的测试需求;

2、节省成本，保护投资，探头贵的部分是探头主体放大器(一个探头放大器可支持多种不同的探测方式)，同时探头前端附件适配器可以保护探头放大器，如果探头前端附件被损坏，方便更换，并且价格也相对便宜。

探头探测前端类型：

1. 点测探头附件(单端和差分点测);

2. 焊接前端附件(单端焊接和差分焊接);

3. 同轴电缆SMA/292mm或SMP探头前端(HDMI测试，需要使用292mm探头前端)；

4、插孔和探针附件;

九. 电压探头的主要指标

9.1 探头的带宽和上升时间

    探头也有带宽，探头的带宽是指探头响应幅度下降到-3dB对应的截止频率。探头配合示波器一起使用，还需要考虑示波器的带宽，这种系统带宽决定着整体测试带宽。

    上升时间通常利用10% 至 90% 阶跃响应时间，表征探头从前端到后端测量转换时间。为在更精准测试信号上升时间或下降时间，探头和示波器组成的测试系统的上升时间应该比被测信号的上升时间快3至5倍。

9.2 探头的动态范围和偏置

    探头的输入动态范围：探头所能测试的在示波器屏幕中心线上下的电压范围，例如：±1.75V动态输入范围的探头，只能测量示波器屏幕中心线上下1.75V范围内的电压，如果输入信号波动超出这个范围，被测波形就会削波，但是探头不一定会烧坏。

   偏置Offset：为了得到的瞬态响应，输入信号调整到探头放大器的动态范围中心位置的范围的能力。

    因此探头的大测试电压并不一定是动态范围，探头的测试电压范围是动态范围加上偏置范围，因此，利用探头探测信号，测试信号要求在其动态范围和偏置电压范围内。

9.3 探头的不损坏输入电压

   探头不损坏输入电压：探头能承受且不损坏的输入电压范围，如果输入信号这个范围，探头就可能烧坏。

9.4  探头输入阻抗

    探头输入阻抗：探头的输入阻抗可分为输入电阻和输入电容，输入阻抗随频率增高而减小，低频下输入阻抗主要由输入电阻决定，高频下输入阻抗主要由输入电容决定。

9.5 差分探头的共模抑制比(CMRR)

    共模抑制比(CMRR)：差模增益Adm与共模增益Acm的比值。用以衡量差分探头抑制输入信号共模分量的能力。若Acm趋近于零，则CMRR趋近无限大，代表理想的差分放大器。如果差分探头的CMRR指标不好，则共模电压会加入差模电，造成测量上的误差，所以针对差分探头，CMRR值越大越好 ，随着频率增加CMRR会逐渐减小。

9.6 探头的衰减系数

    衰减系数：即探头使输入信号幅度减小倍数。典型的衰减系数有1X、2X、10X、50X、500X、1000X等，衰减倍数越高，可探测的大电压越大。

9.7 探头的传输延时和Deskew

    探头的传输时延一般是4ns到8ns，不同探头的差别很大，同类型的探头差别很小(一般小于200ps)。如果需要多个探头同时测试时，例如DDR、MIPI、HDMI等测试，需要两根、三根，甚至四根探头同时探测，不同的探头会造成不同的延迟，在测试之前，利用示波器 “Deskew”的功能来消除探头之间的延迟差来提高测试精度。

十. 探头地线对测试结果的影响

    利用探头探测DUT时，工程师可能会倾向于延长探头的地线，延长地线可以一次连接地线，然后在查看各个测试点时在系统上移动探头。但是，延长的地线增加的电感可能会导致快速转换波形上出现振铃，如下图所示，它显示了在使用不同探头地线时进行的波形测量结果。下图说明了由于典型测量装置的电感变化，不同的接地技术对1ns上升时间脉冲的影响。探头接地线要尽可能短和直。

十一. 如何进行探头的补偿校准

   在利用探头探测信号过程中，很多工程师都是拿起示波器就开始直接探测信号，大部分工程师会忘记要对示波器和探头进行补偿校准，导致工程师走了很多弯路，测试结果和波形不准确，浪费大量的时间找不到是示波器的问题还是被测电路本身的问题？测试效率大大降低， 从而延缓产品研发进度。如果利用探头去探测信号，使用前要进行探头补偿校准，使探头与示波器匹配，保证示波器系统的测量精度。因此，拿到有源探头，先要补偿校准，有源探头和示波器一次使用时需要补偿校准，如果换了示波器的不同通道测量时，也需要校准。建议示波器开机预热30分钟时间后进行探头校准。

Step1.示波器SPC校准

a. 移走示波器的所有探头以及各种连接器和适配器；

b. 建议开机后预热30分钟；

c.  点击“Utility”下面的“Instrument Calibrate”;

d. 等待示波器的”Temperature status”由”Warm-up”为”Ready”后，点击”Run SPC”,  大约需要10分钟左右，SPC如果显示显示“Pass”，表示仪器正常，若显示”Fail”，请确认前面的步骤是否正确，确认正确后再点击Run SPC，若多次校准都显示”Fail”，则仪器已经损坏，需要返修。

Step2. 探头的校准

a: 把探头插到示波器的通道上，探头的探测前端和探头校准夹具正确连接，夹具的BNC口通过BNC电缆与示波器的DC Probe Calibration校准输出连接，还需要给探头校准夹具供电，见下图；

b: 点击示波器中Vertical菜单下的“Probe Cal…”选项，见下图；

c: 选择对应需要校准的探头所在通道，按下“Compensate Probe”按钮，见下图；

d: 查看探头补偿后的状态，如果显示"Compensated"状态，说明探头校准合格，如果Fail，说明探头有问题，见下图。

    关于各种探头更详细的补偿校准视频和文章，可以参考本公众号以前发布的文章《敲黑板！用了这么多年示波器探头，还不知道如何补偿校准的，来补课啦！》

十二. 电压探头的使用步骤

Step1: 示波器预热后做SPC补偿；

Step2: 将探头接到示波器通道上；

Step3: 进行探头补偿；

Step4: 连接DUT开始测试信号；

Step5:  使用“自动设置”调节示波器，显示稳定波形。

十三. 高速信号探测建议

选用探头的容性负载尽可能的小；

探头前端的连接长度越短越好；

选择有源探头或者有源差分探头进行高速信号测试；

建议示波器和探头组成测试系统的上升时间比被测信号上升时间小3至5倍；

测量信号时探头接地线与被测信号地要尽可能的短；

使用正确的连接方式接触测试点。

十四. 探头使用注意事项

仪器需要正确地接地和供电；示波器必须使用三线供电，接地要良好，且保证左零右火上接地；

2. 注意探头的耐压范围，通常在探头上会标明；

3. 注意防止浮地测量，探测信号时，确保信号地与探头的地线已良好接触；

4. 注意不要使用单端探头测试差分信号；

5. 防止电过应力(EOS)引起的探头损坏；

6. 防止静电放电(ESD)引起的探头损坏；

7. 防止机械损伤引起的探头损坏。

十五.总结

    探头是示波器与待测电路之间连接的导体，示波器探头是把测试信号传送到示波器通道的连线，因此，针对不同的应用，应正确的选择探头，使负载效应小。本文介绍了示波器探头原理、探头的类型、探头选择和使用、探头的注意事项等。