对于dc直流或一般低频信号而言，示波器探头只是一个由特定阻抗r所形成的一段传输线缆。而随着待测信号频率的增加和不规则性，示波器探头在测量过程中会引入寄生电容c以及电感l，寄生电容会衰减信号的高频成分，使信号的上升沿变缓。寄生电感则会与寄生电容一起构成谐振回路，使信号产生谐振现象。所有这些都会对我们测量信号的准确性带来挑战。
图1 探头电气特性示意图
示波器探头按供电方式分可分为无源探头和有源探头。无源探头又分为无源低压、无源高压及低阻传输线探头等，有源探头又分为有源单端、有源差分、高压差分探头等。此外，在一些特殊应用下，还会使用到电流探头（ac、dc）、近场探头、逻辑探头以及各类传感器（光、温度、振动）探头等。
无源探头是最常用的一类电压探头，也是我们在购买示波器时标配赠送的探头。如图2所示。
图2 无源探头示意图
无源探头一般使用通用型bnc接口与示波器相连，所以大多数厂家的无源探头可以在不同品牌的示波器上通用（某些厂家特殊接口标准的探头除外），但由于示波器一般无法自动识别其他品牌的探头类型，所以此时需要手动在示波器上设置探头衰减比，以保证示波器在测量时正确补偿探头带来的信号衰减。
图3所示为日常最为常见的一类无源探头原理示意图，它由输入阻抗rprobe、寄生电容cprobe、传输导线（一般1至1.5米左右）、可调补偿电容ccomp组成。此类无源探头一般输入阻抗为10mΩ，衰减比因子为10：1。
图3无源探头原理图
在使用此类探头时，示波器的输入阻抗会自动设置为高阻1mΩ。此时示波器bnc通道输入点的电压vscope与探头前端所探测的电压值vprobe的关系满足以下对应关系：
vprobe/vscope = (9mΩ + 1mΩ) / 1mΩ = 10 : 1
由关系式可知，示波器得到的电压是探头探测到电压的十分之一，这也是无源探头10：1衰减因子的由来。无源探头具备高阻抗10mΩ，因此它对待测电路的负载效应（将在第二部分详述）很小，能覆盖一般低频频段（500mhz以内），耐压能力强（300v-400vrms），价格便宜，通用性好，所以得到广泛使用。
当无源探头的衰减因子为100：1、1000：1甚至更高时，此类探头一般归类为无源高压探头。由于其衰减比很大，因此能测量高压、超高压电信号。
图4 r&s rt-zh10高压探头
还有一类无源探头，其衰减比为1：1，信号未经衰减直接经过探头传输至示波器，其耐压能力不及其它无源探头，但它具备测试小信号的优势。由于不像10：1衰减比探头那样信号需要示波器再放大10倍显示，所以示波器内部噪声未放大，测量噪声更小，此类更适用于测试小信号或电源纹波噪声。
图5 r&s hz-154 1:1/10:1可调衰减比无源探头
无源传输线探头是另一类特殊的无源探头，其特点是输入阻抗相对较低，一般为几百欧姆，支持带宽更高，可达数ghz以上。图6为输入阻抗为500Ω的10：1无源传输线探头原理图：
图6传输线探头原理图
传输线探头具备低寄生电容，低输入阻抗的特性，一般用来测量高频信号。在使用传输线探头时应该注意将示波器输入阻抗设置为50Ω，以与传输线50Ω阻抗相匹配，传输线探头的典型应用为测量50Ω传输线上的电信号，通过sma-n等不同的转换接头，传输线探头也可用在频谱分析仪等其它测试设备上。
图7传输线探头的典型应用
需要注意的是，由于传输线探头的低阻抗，它的负载效应会比较明显。因此，此类探头仅适用于与低输出阻抗（几十至100欧姆）的电路测试。对于更高输出阻抗的电路，我们可以选择使用高阻有源探头的方案，将在后续详述。
图8 r&s rt-zz80 8.0ghz无源传输线探头
介绍完无源探头，我们接下来看看有源探头。顾名思义，有源探头区别于无源探头最大的特点是“有源”，即它需要提供电源才能工作。如今大多数有源探头都配备有特殊借口，通过与示波器连接从示波器获得电源，而不需要额外提供外置电源（某些型号除外）。下图所示为有源单端探头原理图：
图9 有源单端探头原理图
有源单端探头一般具备高阻抗（1mΩ上下），低寄生电容。其前端有一个高带宽的放大器，有源探头的供电主要用于此放大器。放大器驱动信号经过50Ω传输线到达示波器，示波器的输入阻抗需选择为50Ω作匹配。由于其较低的寄生电容和50欧姆传输，有源单端探头可以提供比无源探头更高的带宽，因此主要应用在高频信号的测量领域。
优点和缺点往往是并存的，有源单端探头亦是如此。能够测量更高带宽的信号是其优点，但由于需要集成有源放大器，因而其成本相对于无源探头来说更高，一个几ghz带宽的有源单端探头价格可达数万人民币。除此之外，由于高带宽放大器的信号输入范围十分有限，因而其动态范围有限，一般有源单端探头的动态范围仅在几伏范围之内，探头所能承受的最大电压也只有几十伏。
相对于前面所说的无源传输线探头，有源单端探头同样可以应用在低阻抗高频率信号的测量环境，且由于其输入阻抗相对于无源传输线探头更高，因此它的负载效应更小。不仅如此，r&s有源单端探头还可以与rt-za9（n型转换接头，usb供电）附件连接，进而用在射频信号源和频谱分析仪上，用来测试特殊环境下的信号，如传统50欧姆同轴线缆无法连接的探测点处，或者需要使用高阻探头探测待测点信号频谱时。
图10 r&s rt-zs系列单端有源探头与rt-za9 n型转换头相连
除了有源单端探头之外，有源差分探头是另外一类重要的有源探头。我们可以从字面上来理解这两种探头的区别，有源单端的前端有两处连接点：信号点和地。有源差分顾名思义主要用来测试差分信号，探头前端有三处连接点：信号正、信号负、地。
图11 有源单端探头前端（左）与有源差分探头前端（右）
有源差分探头的原理图如下：
图12有源差分探头原理图
与有源单端探头相比，其最大不同在于使用了差分放大器。有源差分探头同样具备低寄生电容和高带宽特性，所不同的是，有源差分探头具有高共模抑制比（cmrr），对共模噪声的抑制能力比较强。有源差分探头主要用来测试差分信号，即测试两路信号（一般为相位相差180度的正反信号）的相对电压差，与地无关。
图13差分信号测试原理示意图
上图显示了用有源差分探头测试差分信号的原理，图中红色波形显示的为差分信号vin+，蓝色波形显示为差分信号vin-，二者幅度相同，相位相差180度。vin+和vin-经由差分探头正、负探测点探测后经过差分放大器放大，然后传输至示波器，最后得到如图绿色差分波形。
这里要介绍几个概念，以便大家能够更好的理解共模抑制比cmrr。
共模（common mode）：差分信号两端具有相同幅度和相位的信号成分，用表达式表示为vcm =（vin+ + vin-）/2.
由于理想的vin+、vin-幅度相同，相位相反，所以二者相加应该为零。但在实际工作环境下，vin+、vin-上会叠加上噪声干扰vnoise。由于vin+、vin-所处环境相同，因而在二者上叠加的噪声也往往相同，所以由cm表达式可知：cm = vnoise.
差模（differential mode）：差分信号两端不同的信号成分，用表达式表示为vdm = vin+ - vin-.
共模抑制（common mode rejection）：差分放大器对共模信号的抑制能力，即差分放大器的一项主要能力是对vnoise进行抑制消除。如果共模电压vcm经过差分放大器的增益为acm，差模电压vdm经过差分放大器的增益为adm，则我们可以用共模抑制比（common mode rejection ratio）即cmrr来表示共模抑制能力，其表达式为：
cmrr = adm / acm
举例如下图：差模信号vdm幅度为1v，经过差分放大器后幅度仍然为1v，即adm = 1. 共模信号vcm幅度为4.5v，经过差分放大器后幅度抑制为0.45v，即acm=0.1. 因此，cmrr = 1 / 0.1 = 10：1 = 20db。
图14 差分信号测试举例
对于理想的差分放大器而言，我们希望其完全抑制共模信号，从而消除噪声vnoise对差分信号测量的影响。对于一般的差分信号测量而言，20db的cmrr已经足够，而r&s rt-zd40的cmrr可达50db，性能非常优异。
图15 r&s rt-zd40有源差分探头
值得一提的是，r&s的有源单端探头和有源差分探头上都配备了microbutton多功能按钮和probemeter探头计功能。其中，microbutton是位于有源探头前段的一个微型按钮，用户可以在测试时很方便的按动按钮，从而执行对示波器的特定控制（可自定义），如：自动设置、默认设置、单次运行、连续运行等。
图16 microbutton多功能按钮
probemeter则是集成在有源探头前端的16位dc电压计，可用来直接在探头点处测试直流电压，这与其他厂家使用探头捕获波形然后输送到示波器，进而对波形进行测量得到dc数值的方案完全不同。（http: