一、引言

在電子電路的測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域，電流探頭和電壓探頭是兩種極為重要的工具。它們被廣泛應(yīng)用于研發(fā)、生產(chǎn)測(cè)試、故障診斷等各個(gè)環(huán)節(jié)。盡管兩者都是用于獲取電路中的相關(guān)電學(xué)量信息，但它們?cè)?a target="_blank">工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)量特性等方面存在諸多差異。了解這些差異有助于工程師根據(jù)具體的測(cè)量需求選擇合適的探頭，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和效率。

二、工作原理

1. 電壓探頭
電壓探頭通常基于分壓器原理工作。它由高阻元件組成，當(dāng)探頭連接到被測(cè)電路兩端時(shí)，根據(jù)串聯(lián)電路電壓分配規(guī)律，探頭將被測(cè)電壓按比例衰減到示波器等測(cè)量?jī)x器能夠安全、準(zhǔn)確測(cè)量的范圍。例如，一個(gè)10:1的電壓探頭，當(dāng)被測(cè)電壓為100V時(shí)，探頭輸出到測(cè)量?jī)x器的電壓為10V。
對(duì)于差分電壓探頭，它測(cè)量的是兩個(gè)輸入端子之間的電壓差。差分電壓探頭通過(guò)特殊的電路設(shè)計(jì)，能夠有效地抑制共模噪聲，從而準(zhǔn)確測(cè)量微弱的差分電壓信號(hào)。
2. 電流探頭
電流探頭主要基于電磁感應(yīng)原理工作。當(dāng)被測(cè)電流通過(guò)載流導(dǎo)體時(shí)，電流探頭中的磁芯會(huì)被磁化。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在電流探頭的感應(yīng)線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)電流的變化率成正比。對(duì)于交流電流測(cè)量，通過(guò)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的積分等處理，可以得到與被測(cè)電流成比例的電壓信號(hào)，進(jìn)而測(cè)量出電流的大小和波形。
霍爾效應(yīng)電流探頭則是利用霍爾元件。當(dāng)有電流通過(guò)載流導(dǎo)體時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓。通過(guò)測(cè)量霍爾電壓來(lái)確定被測(cè)電流的大小。這種電流探頭可以測(cè)量直流電流，并且具有良好的線性度。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.電壓探頭
電壓探頭的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般由探頭尖端、絕緣桿和連接電纜組成。探頭尖端用于連接被測(cè)電路的測(cè)試點(diǎn)，為了減小對(duì)被測(cè)電路的影響，探頭尖端的接觸電阻要盡可能小。絕緣桿起到絕緣和支撐的作用，確保使用者的安全并防止短路。連接電纜將探頭與測(cè)量?jī)x器連接起來(lái)，其特性阻抗要與測(cè)量?jī)x器匹配，以減少信號(hào)反射。
對(duì)于高壓探頭，其結(jié)構(gòu)會(huì)更加復(fù)雜，通常會(huì)有多層絕緣保護(hù)，以承受高電壓而不發(fā)生擊穿現(xiàn)象。并且內(nèi)部的分壓器電路也需要特殊的設(shè)計(jì)和封裝，以保證在高電壓下的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
2.電流探頭
電流探頭的核心部件是磁芯和感應(yīng)線圈（對(duì)于基于電磁感應(yīng)原理的電流探頭）或者霍爾元件（對(duì)于霍爾效應(yīng)電流探頭）。磁芯一般采用高磁導(dǎo)率的材料，如鐵氧體等，以便有效地集中磁場(chǎng)。感應(yīng)線圈繞制在磁芯上，其匝數(shù)和線徑等參數(shù)會(huì)影響電流探頭的靈敏度和測(cè)量范圍。
電流探頭通常有一個(gè)開口或夾式結(jié)構(gòu)，方便將被測(cè)載流導(dǎo)體放入探頭中進(jìn)行測(cè)量。這種結(jié)構(gòu)使得電流探頭在測(cè)量時(shí)不需要斷開被測(cè)電路，操作更加方便快捷。對(duì)于大電流測(cè)量的電流探頭，其磁芯和結(jié)構(gòu)需要能夠承受大電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)而不飽和，并且要有良好的散熱設(shè)計(jì)，以防止過(guò)熱損壞。

四、測(cè)量特性

1. 測(cè)量范圍
電壓探頭的測(cè)量范圍主要取決于其分壓器的設(shè)計(jì)和探頭的耐壓能力。一般的電壓探頭可以測(cè)量幾伏到幾百伏的電壓，而高壓探頭可以測(cè)量數(shù)千伏甚至更高的電壓。例如，一些專門用于電力系統(tǒng)測(cè)試的高壓探頭，測(cè)量范圍可以達(dá)到數(shù)十千伏。
電流探頭的測(cè)量范圍差異較大。小電流的電流探頭可以測(cè)量毫安級(jí)甚至微安級(jí)的電流，而大電流的電流探頭能夠測(cè)量數(shù)千安的電流。例如，在電力電子設(shè)備的測(cè)試中，用于測(cè)量主電路大電流的電流探頭可能具有數(shù)百安甚至上千安的測(cè)量能力。
2. 頻率響應(yīng)
電壓探頭的頻率響應(yīng)特性與其內(nèi)部的電路元件和結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般的電壓探頭在低頻段具有較好的平坦度，隨著頻率的升高，由于探頭的寄生電容、電感等因素的影響，頻率響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)衰減和相移。高質(zhì)量的電壓探頭在較寬的頻率范圍內(nèi)（例如從直流到幾百兆赫）能夠保持較好的頻率響應(yīng)特性。
電流探頭的頻率響應(yīng)也受到多種因素的影響?；陔姶鸥袘?yīng)原理的電流探頭在高頻時(shí)，由于磁芯的磁滯損耗、渦流損耗等，頻率響應(yīng)會(huì)變差?；魻栃?yīng)電流探頭的頻率響應(yīng)相對(duì)較好，尤其是在直流和低頻段到一定高頻段（例如從直流到幾十兆赫）都能保持較為穩(wěn)定的測(cè)量性能。
3. 對(duì)被測(cè)電路的影響
電壓探頭由于其高輸入阻抗，對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)較小。在正常測(cè)量時(shí)，它從被測(cè)電路吸取的電流非常小，幾乎不會(huì)改變被測(cè)電路的工作狀態(tài)。例如，一個(gè)輸入阻抗為10MΩ的電壓探頭，當(dāng)測(cè)量一個(gè)10V電壓源時(shí)，它從電壓源吸取的電流僅為1μA，對(duì)大多數(shù)電路來(lái)說(shuō)這種影響可以忽略不計(jì)。
電流探頭在測(cè)量時(shí)會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)電流探頭夾在被測(cè)導(dǎo)線上時(shí)，會(huì)改變被測(cè)電路的電感特性。對(duì)于高頻電路，這種電感的改變可能會(huì)影響電路的諧振頻率等性能。此外，電流探頭本身的插入損耗也會(huì)對(duì)被測(cè)電路中的電流信號(hào)產(chǎn)生一定的衰減作用。

五、應(yīng)用場(chǎng)景

1. 電壓探頭的應(yīng)用場(chǎng)景
在電子電路的調(diào)試過(guò)程中，電壓探頭用于測(cè)量電路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓。例如，在放大器電路中，測(cè)量輸入電壓和輸出電壓，以確定放大器的增益等性能指標(biāo)。在數(shù)字電路中，測(cè)量電源電壓、邏輯電平的高低電壓等，以檢查電路是否正常工作。
在電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中，高壓探頭用于測(cè)量變電站、輸電線路等設(shè)備的電壓，以確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
2.電流探頭的應(yīng)用場(chǎng)景
在電力電子設(shè)備的研發(fā)和測(cè)試中，電流探頭用于測(cè)量功率半導(dǎo)體器件（如IGBT、MOSFET等）的電流，以評(píng)估電路的功率損耗、效率等性能。例如，在變頻器的測(cè)試中，通過(guò)測(cè)量輸入和輸出電流來(lái)分析變頻器的電能轉(zhuǎn)換效率。
在電磁兼容性（EMC）測(cè)試中，電流探頭用于測(cè)量設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射電流和抗擾度電流。例如，測(cè)量電子設(shè)備電源線傳導(dǎo)發(fā)射的共模電流和差模電流，以確保設(shè)備滿足相關(guān)的EMC標(biāo)準(zhǔn)。

六、結(jié)論

電流探頭和電壓探頭在工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)量特性和應(yīng)用場(chǎng)景等方面存在明顯的差異。在實(shí)際的電子測(cè)試和測(cè)量工作中，需要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象、測(cè)量要求（如測(cè)量的電學(xué)量類型、測(cè)量范圍、頻率范圍等）以及被測(cè)電路的特點(diǎn)來(lái)選擇合適的探頭。只有正確地選擇和使用電流探頭和電壓探頭，才能獲得準(zhǔn)確可靠的測(cè)量結(jié)果，從而為電子電路的設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)和故障診斷等工作提供有力的支持。

審核編輯 黃宇