如何根据使用环境快速挑选合适的示波器探头？
如何根据使用环境快速挑选合适的示波器探头？
示波器是电子工程师常用的测试工具，而探头作为示波器的重要附件，其选择和使用直接影响测量结果的准确性。本文将详细介绍如何根据使用环境快速挑选合适的示波器探头，包括电压探头、有源探头、无源探头以及电流探头的选择要点和使用场景。
探头选择的依据
不同类型的探头适用于不同的测量环境，因此，挑选合适的探头是开展测量工作的首要任务。这首先需要对要测量的信号有清晰的认识。对于电信号而言，主要是测量电压或者电流，这就需要考虑信号的频率高低、振幅大小、测量对象的输出电阻高低，以及是否能够通过绝缘进行差分测量等因素。
在充分了解测量对象的这些特性之后，就能从众多类型的探头中做出恰当的选择。市场上有多种探头可供选择，例如专门用于测量高电压、高速信号或者适用于多种场景的探头。
电压探头的选择要点
选择电压探头时需考虑的四个规格
- 频率范围
电压探头的频率范围要依据可测量的频率来确定。不同的测量场景对频率范围的要求各异，例如在高频电路测量中，探头需要有较宽的高频响应范围；而在低频电路测量中，探头的低频特性则更为关键。
- 输入电压范围
输入电压范围的确定要考虑可观测信号的最大电压，并预留一定余量以应对诸如电涌等情况。若输入电压范围选择不当，可能导致探头损坏或测量不准确。例如在电力系统电压监测中，瞬间的电压波动（电涌）可能出现，如果探头输入电压范围没有足够余量，就无法准确测量甚至可能被过高电压损坏。
- 输入电阻
输入电阻会对测量对象产生直流电负载。如果输入电阻过低，会产生较大直流负载，进而影响电路偏压。在对偏压要求严格的精密电路测量中，不合适的输入电阻可能使电路工作点偏移，影响测量结果准确性。
- 输入电容
输入电容会对测量对象产生交流（高频）电负载。当输入电容过大时，会影响高速信号的上升沿等特性。在高速数字电路或高频模拟电路测量中，高速信号的上升沿和下降沿是重要测量参数，过大的输入电容会使这些参数畸变，导致测量结果失真。
有源探头与无源探头
有源探头
有源探头在探头内部前端安装有半导体元件。其工作原理是信号衰减后直接输入到探头内部前端的半导体元件。这个半导体元件能够缓冲大容量电缆电容，从而极大地减小输入电容，降低对测量对象的影响。有源探头在高电阻、高频率的测量环境下具有明显优势，因为它能有效抑制探头负载效应对测量对象的影响。
在差分信号测量方面，有源探头有重要应用。例如在CAN、LVDS、高速串行通信等差分信号测量中，有源探头可以去除共模电压，提取差分信号。并且在配电电源电路等浮动电路或电路GND电阻较高的场合，有源探头能够将示波器与测量对象的GND分离，从而实现准确测量。
无源探头
无源探头的信号是经过数米长的电缆后输入到示波器的半导体元件中。与有源探头相比，无源探头在输入电容等性能方面存在劣势，但在一些对成本要求较高、测量环境相对简单的场景下仍有应用价值。
电流探头与电流测量方法
电流探头的特点与测量原理
电流探头的一大优势是能够进行非接触式测量，这样不会对测量对象造成过大影响，它通过检测要测量的电流周围的磁场来实现测量。
采用分流电阻的电流测量方式
这种测量方式需要切断有电流流过的线路，采用分流电阻形成旁路。有时也采用切断被测量导体并插入低值电阻（分流电阻），然后测量电阻两端电压的方法。但这种方法存在一些问题，分流电阻产生的电压会影响测量对象的工作状态，并且在电阻极低时容易受到寄生电感元件和寄生电容的影响，导致输出电压带有频率特性。不过，在可以忽略寄生电感元件和寄生电容影响的低频情况下，这种方法的测量精度最高。
采用电流互感器的电流测量方式
这种方式是在磁芯上缠绕线圈制成CT结构感应器，其结构简单、制作成本低廉。然而，由于它检测的是磁场，所以在原理上无法检测直流电。CT感应器的工作原理是：当被测导体内有电流时，磁芯内形成磁通量，为了消除该磁通量，在二级线圈上产生电动势，电流流经分流电阻，并且被测电流与二级线圈的电流存在一定比例关系。但由于感应电动势与单位时间的磁通量变化成比例，所以无法检测磁通量无变化的直流电，而且变化速度越慢感应电动势越小，不足以进行检测。
在使用电流互感器时需要注意其直流重叠特性。因为CT感应器是在铁芯等磁芯中缠绕线圈，使其具有电感元件的功能。当在电感元件上施加直流磁场后，磁芯的磁导率会减小，电感元件会衰减，当直流磁场增大到一定数值时，磁芯会饱和，无法再发挥电感元件的功能。电流探头的基本结构与在磁芯上缠绕线圈的电感元件结构相同，所以在有直流电的情况下，电流探头的特性会发生变化，直流电流达到一定大小后电流探头就会失灵，无法输出波形。
使用零磁通门传感器检测直流电流
由于CT感应器不会对直流或低频电流产生感应电动势，所以直流和低频电流产生的磁通量会残留在磁芯内。零磁通门方法是在磁芯缝隙内安装霍尔效应元件，它能检测出该磁通量，同时将负反馈电流送入线圈以抵消该磁通量。这种方法能够有效减少磁芯内部的非线性影响，从而实现高精度测量，并且可以避免CT方法中的直流重叠特性。