一、引言

在電子電路的測試與測量領域，電流探頭和電壓探頭是兩種極為重要的工具。它們被廣泛應用于研發、生產測試、故障診斷等各個環節。盡管兩者都是用于獲取電路中的相關電學量信息，但它們在工作原理、結構設計、測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具體的測量需求選擇合適的探頭，從而提高測量的準確性和效率。

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，當探頭連接到被測電路兩端時，根據串聯電路電壓分配規律，探頭將被測電壓按比例衰減到示波器等測量儀器能夠安全、準確測量的范圍。例如，一個10:1的電壓探頭，當被測電壓為100V時，探頭輸出到測量儀器的電壓為10V。
對于差分電壓探頭，它測量的是兩個輸入端子之間的電壓差。差分電壓探頭通過特殊的電路設計，能夠有效地抑制共模噪聲，從而準確測量微弱的差分電壓信號。
2. 電流探頭
電流探頭主要基于電磁感應原理工作。當被測電流通過載流導體時，電流探頭中的磁芯會被磁化。根據法拉第電磁感應定律，在電流探頭的感應線圈中會產生感應電動勢。這個感應電動勢與被測電流的變化率成正比。對于交流電流測量，通過對感應電動勢的積分等處理，可以得到與被測電流成比例的電壓信號，進而測量出電流的大小和波形。
霍爾效應電流探頭則是利用霍爾元件。當有電流通過載流導體時，在垂直于電流和磁場的方向上會產生霍爾電壓。通過測量霍爾電壓來確定被測電流的大小。這種電流探頭可以測量直流電流，并且具有良好的線性度。

三、結構設計

1.電壓探頭
電壓探頭的結構相對簡單，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電路的測試點，為了減小對被測電路的影響，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量儀器連接起來，其特性阻抗要與測量儀器匹配，以減少信號反射。
對于高壓探頭，其結構會更加復雜，通常會有多層絕緣保護，以承受高電壓而不發生擊穿現象。并且內部的分壓器電路也需要特殊的設計和封裝，以保證在高電壓下的準確性和穩定性。
2.電流探頭
電流探頭的核心部件是磁芯和感應線圈（對于基于電磁感應原理的電流探頭）或者霍爾元件（對于霍爾效應電流探頭）。磁芯一般采用高磁導率的材料，如鐵氧體等，以便有效地集中磁場。感應線圈繞制在磁芯上，其匝數和線徑等參數會影響電流探頭的靈敏度和測量范圍。
電流探頭通常有一個開口或夾式結構，方便將被測載流導體放入探頭中進行測量。這種結構使得電流探頭在測量時不需要斷開被測電路，操作更加方便快捷。對于大電流測量的電流探頭，其磁芯和結構需要能夠承受大電流產生的磁場而不飽和，并且要有良好的散熱設計，以防止過熱損壞。

四、測量特性

1. 測量范圍
電壓探頭的測量范圍主要取決于其分壓器的設計和探頭的耐壓能力。一般的電壓探頭可以測量幾伏到幾百伏的電壓，而高壓探頭可以測量數千伏甚至更高的電壓。例如，一些專門用于電力系統測試的高壓探頭，測量范圍可以達到數十千伏。
電流探頭的測量范圍差異較大。小電流的電流探頭可以測量毫安級甚至微安級的電流，而大電流的電流探頭能夠測量數千安的電流。例如，在電力電子設備的測試中，用于測量主電路大電流的電流探頭可能具有數百安甚至上千安的測量能力。
2. 頻率響應
電壓探頭的頻率響應特性與其內部的電路元件和結構有關。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，頻率響應會出現衰減和相移。高質量的電壓探頭在較寬的頻率范圍內（例如從直流到幾百兆赫）能夠保持較好的頻率響應特性。
電流探頭的頻率響應也受到多種因素的影響。基于電磁感應原理的電流探頭在高頻時，由于磁芯的磁滯損耗、渦流損耗等，頻率響應會變差。霍爾效應電流探頭的頻率響應相對較好，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）都能保持較為穩定的測量性能。
3. 對被測電路的影響
電壓探頭由于其高輸入阻抗，對被測電路的負載效應較小。在正常測量時，它從被測電路吸取的電流非常小，幾乎不會改變被測電路的工作狀態。例如，一個輸入阻抗為10MΩ的電壓探頭，當測量一個10V電壓源時，它從電壓源吸取的電流僅為1μA，對大多數電路來說這種影響可以忽略不計。
電流探頭在測量時會對被測電路產生一定的影響。當電流探頭夾在被測導線上時，會改變被測電路的電感特性。對于高頻電路，這種電感的改變可能會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對被測電路中的電流信號產生一定的衰減作用。

五、應用場景

1. 電壓探頭的應用場景
在電子電路的調試過程中，電壓探頭用于測量電路中各個節點的電壓。例如，在放大器電路中，測量輸入電壓和輸出電壓，以確定放大器的增益等性能指標。在數字電路中，測量電源電壓、邏輯電平的高低電壓等，以檢查電路是否正常工作。
在電力系統的監測中，高壓探頭用于測量變電站、輸電線路等設備的電壓，以確保電力系統的安全運行。
2.電流探頭的應用場景
在電力電子設備的研發和測試中，電流探頭用于測量功率半導體器件（如IGBT、MOSFET等）的電流，以評估電路的功率損耗、效率等性能。例如，在變頻器的測試中，通過測量輸入和輸出電流來分析變頻器的電能轉換效率。
在電磁兼容性（EMC）測試中，電流探頭用于測量設備的傳導發射電流和抗擾度電流。例如，測量電子設備電源線傳導發射的共模電流和差模電流，以確保設備滿足相關的EMC標準。

六、結論

電流探頭和電壓探頭在工作原理、結構設計、測量特性和應用場景等方面存在明顯的差異。在實際的電子測試和測量工作中，需要根據具體的測量對象、測量要求（如測量的電學量類型、測量范圍、頻率范圍等）以及被測電路的特點來選擇合適的探頭。只有正確地選擇和使用電流探頭和電壓探頭，才能獲得準確可靠的測量結果，從而為電子電路的設計、研發、生產和故障診斷等工作提供有力的支持。

審核編輯 黃宇