电压探头内部结构设计详解

　　一、引言

　　电压探头在电子测量领域中扮演着至关重要的角色。它能够在不影响被测电路正常工作的前提下，精确地获取电路中的电压信号，以便进行分析、监测和调试等操作。深入了解电压探头的内部结构设计，有助于更好地理解其工作原理、性能特点以及在不同应用场景下的适用性。

　　二、电压探头的基本组成部分

　　1.探头尖端(Tip)

　　这是与被测电路节点直接接触的部分。探头尖端通常采用高导电性的金属材料，如铜合金。其设计要求是尽可能减小接触电阻，以确保准确的电压测量。例如，在一些高精度的电压探头中，探头尖端会经过特殊的表面处理，如镀金，以提高导电性并防止氧化。

　　探头尖端的形状也很重要。常见的有针状、钩状等。针状尖端适用于探测电路板上的微小焊点或测试点，能够精准地接触到目标位置;钩状尖端则更便于挂在电路元件的引脚上，在需要长时间监测电压时较为方便。

　　2.绝缘部分(Insulation)

　　为了防止探头尖端与周围电路发生意外的短路或漏电，需要良好的绝缘。绝缘材料通常选用高绝缘性能的塑料或陶瓷。例如，聚四氟乙烯(PTFE)由于其优异的绝缘性能、化学稳定性和耐高温特性，常被用于电压探头的绝缘部分。

　　在高压测量的电压探头中，绝缘部分的设计更为关键。它需要有足够的厚度和绝缘强度，以承受高电压而不发生击穿现象。一般会采用多层绝缘结构，并且在绝缘材料的选择和制造工艺上都有严格的要求。

　　3.传输线(Transmission Line)

　　传输线负责将探头尖端获取的电压信号传输到探头的后端电路。常见的传输线类型有同轴电缆。同轴电缆由内导体、外导体和中间的绝缘介质组成。内导体用于传输信号，外导体起到屏蔽作用，防止外界电磁干扰对信号的影响。

　　在设计传输线时，需要考虑其特性阻抗匹配问题。如果特性阻抗不匹配，会导致信号反射，从而影响测量的准确性。例如，对于50Ω特性阻抗的测量设备，电压探头的传输线也应尽量设计为50Ω的特性阻抗，以确保信号的高效传输。

　　4.衰减电路(Attenuation Circuit)

　　在一些电压探头中，为了能够测量较高的电压，会设置衰减电路。衰减电路可以按照一定的比例降低输入电压信号的幅度，使其能够在探头的测量范围内。常见的衰减比例有10:1、100:1等。

　　衰减电路通常由电阻网络组成。例如，一个简单的10:1衰减电路可能由一个较大的串联电阻和一个较小的并联电阻组成。当输入电压施加在这个电阻网络上时，根据分压原理，输出电压就会按照10:1的比例衰减。这样，原本超出探头测量范围的高电压就可以被测量了。

　　5.放大器电路(Amplifier Circuit)

　　对于一些需要测量微弱电压信号的情况，电压探头内部会设置放大器电路。放大器电路能够将微弱的输入电压信号进行放大，以提高测量的灵敏度。

　　运算放大器(Op - Amp)是构建放大器电路的常用元件。例如，一个采用差分放大器结构的运算放大器电路，可以有效地放大输入的差分电压信号，同时抑制共模噪声。通过合理选择运算放大器的增益、带宽等参数，可以满足不同微弱电压测量的需求。

　　6.屏蔽结构(Shielding Structure)

　　为了减少外界电磁干扰(EMI)对电压探头测量的影响，电压探头内部和外部都有屏蔽结构。外部屏蔽通常是金属外壳，它能够将探头整体包裹起来，防止外界的电磁场穿透到探头内部。

　　内部屏蔽主要是针对传输线等部分。例如，同轴电缆的外导体就是一种内部屏蔽结构。在探头内部电路布局时，也会采用合理的接地和屏蔽布线方式，将敏感的电路部分与可能产生干扰的部分隔离开来，确保测量信号的纯净性。

　　三、不同类型电压探头的内部结构特点

　　1.无源电压探头

　　无源电压探头结构相对简单，主要由探头尖端、传输线和可能的衰减电路组成。由于没有内部电源和放大器电路，它的成本较低，体积较小。例如，一些普通的示波器无源探头，其内部就是一个简单的同轴电缆加上一个可选的衰减电阻网络。这种探头适用于测量频率不太高、电压幅度适中的信号。

　　2.有源电压探头

　　有源电压探头内部除了基本的探头尖端、传输线等部分外，还包含放大器电路。由于有放大器电路，需要有电源供应。有源电压探头的优点是可以测量微弱的电压信号，并且具有较高的输入阻抗，对被测电路的影响较小。例如，在高速数字电路测量中，有源电压探头能够准确地测量到芯片引脚处的微弱电压信号变化，其内部的放大器电路可以将这些微弱信号放大到可以被示波器等测量设备识别的幅度。

　　3.高压电压探头

　　高压电压探头的内部结构重点在于绝缘和衰减电路的设计。为了能够承受高电压，其绝缘部分会采用特殊的高压绝缘材料，并且绝缘距离会加大。衰减电路也会根据需要测量的高压范围进行精心设计。例如，在测量数千伏甚至更高电压的高压探头中，衰减电路可能会采用多级衰减的方式，以确保在将高电压衰减到合适测量范围的同时，保证测量的准确性和安全性。

　　四、内部结构设计对性能的影响

　　1.测量精度

　　探头尖端的接触电阻、传输线的特性阻抗匹配、衰减电路和放大器电路的准确性等都会影响测量精度。例如，如果探头尖端接触不良，接触电阻过大，就会在测量电路中引入额外的电压降，导致测量结果不准确。同样，如果传输线特性阻抗不匹配，信号反射会使测量到的电压波形失真，影响对电压幅度和相位等参数的准确测量。

　　2.带宽和频率响应

　　传输线的长度、类型以及放大器电路(如果有)的带宽等因素决定了电压探头的带宽和频率响应。较长的传输线可能会引入较大的寄生电容和电感，从而限制探头的高频响应。而放大器电路的带宽如果不够宽，就无法准确测量高频信号。例如，在射频电路测量中，需要使用具有高带宽和良好频率响应的电压探头，其内部传输线会采用低损耗的高频电缆，放大器电路也会有足够高的带宽来满足射频信号测量的需求。

　　3.输入阻抗

　　对于有源电压探头，放大器电路的输入阻抗设计很重要。高输入阻抗可以减小对被测电路的负载效应，使测量结果更接近真实的电路电压。无源电压探头的输入阻抗相对较低，但在一些低频、低功率的测量场景下仍然可以满足要求。例如，在测量一个高阻抗的微弱信号源时，如果使用低输入阻抗的探头，会使信号源的输出电压明显下降，导致测量误差，而高输入阻抗的有源电压探头则可以避免这种情况。

　　五、结论

　　电压探头的内部结构设计是一个复杂的系统工程，各个组成部分相互关联、相互影响。不同的应用场景需要不同类型的电压探头，而其内部结构的合理设计是保证电压探头能够准确测量电压信号、具有良好性能的关键。随着电子技术的不断发展，对电压探头的性能要求也在不断提高，未来电压探头的内部结构设计将朝着更高精度、更高带宽、更小尺寸和更强抗干扰能力的方向发展。

　　以上内容由普科科技/PRBTEK整理分享， 西安普科电子科技有限公司致力于打造仪器配附件一站式供应平台。主营范围：示波器测试附件配件的研发、生产、销售。涵盖产品包含电流探头、差分探头、高压探头、无源探头、柔性电流探头、近场探头、电流互感器、射频测试线缆、各类仪器测试附件等。更多信息，欢迎登陆官方网站进行咨询：http://www.prbtek.cn