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示波器因為有探頭的存在而擴充了示波器的應用範圍，使得示波器可以線上測試和分析被測電子電路，如下圖：
圖1 示波器探頭的作用
探頭的選擇和使用需要考慮如下兩個方面：
其一：因為探頭有負載效應，探頭會直接影響被測信号和被測電路;
其二：探頭是整個示波器測量系統的一部分，會直接影響儀器的信号保真度和測試結果
一、探頭的負載效應
當探頭探測到被測電路後，探頭成為了被測電路的一部分。探頭的負載效應包括下面3部分：
阻性負載效應; 容性負載效應; 感性負載效應。
圖2 探頭的負載效應
阻性負載相當于在被測電路上并聯了一個電阻，對被測信号有分壓的作用，影響被測信号的幅度和直流偏置。有時，加上探頭時，有故障的電路可能變得正常了。一般推薦探頭的電阻R>10倍被測源電阻，以維持小于10%的幅度誤差。
圖3 探頭的阻性負載
容性負載相當于在被測電路上并聯了一個電容，對被測信号有濾波的作用，影響被測信号的上升下降時間，影響傳輸延遲，影響傳輸互連通道的帶寬。有時，加上探頭時，有故障的電路變得正常了，這個電容效應起到了關鍵的作用。一般推薦使用電容負載盡量小的探頭，以減小對被測信号邊沿的影響。
圖4 探頭的容性負載
感性負載來源于探頭地線的電感效應，這地線電感會與容性負載和阻性負載形成諧振，進而使顯示的信号上出現振鈴。如果顯示的信号上出現明顯的振鈴，需要檢查确認是被測信号的真實特征還是由于接地線引起的振鈴，檢查确認的方法是使用盡量短的接地線。一般推薦使用盡量短的地線，一般地線電感=1nH/mm。
圖5 探頭的感性負載
二、探頭的類型
示波器探頭大的方面可以分為：無源探頭和有源探頭兩大類。無源有源顧名思義就是需不需要給探頭供電。
無源探頭細分如下：
1. 低阻電阻分壓探頭;
2. 帶補償的高阻無源探頭(最常用的無源探頭);
3. 高壓探頭
有源探頭細分如下：
1. 單端有源探頭;
2. 差分探頭;
3. 電流探頭
低阻電阻分壓探頭具備較低的電容負載(<1pf)，較高的帶寬(>1.5GHz)，較低的價格，但是電阻負載非常大，一般隻有500ohm或1Kohm，是以隻适合測試低源阻抗的電路，或隻關注時間參數測試的電路。
圖6 低輸入電阻探頭結構
帶補償的高阻無源探頭是最常用的無源探頭，一般示波器标配的探頭都是此類探頭。帶補償的高阻無源探頭具備較高的輸入電阻(一般1Mohm以上)，可調的補償電容，以比對示波器的輸入，具備較高的動态範圍，可以測試較大幅度的信号(幾十幅以上)，價格也較低。但是不知之處是輸入電容過大(一般10pf以上)，帶寬較低(一般500MHz以内)。
圖7 常用的無源探頭結構
帶補償的高阻無源探頭有一個補償電容，當接上示波器時，一般需要調整電容值(需要使用探頭自帶的小螺絲刀來調整，調整時把探頭連接配接到示波器補償輸出測試位置)，以與示波器輸入電容比對，以消除低頻或高頻增益。下圖的左邊是存在高頻或低頻增益，調整後的補償信号顯示波形如下圖的右邊所示。
圖8 無源探頭的補償
高壓探頭是帶補償的無源探頭的基礎上，增大輸入電阻，使得衰減加大(如：100:1或1000:1等)。因為需要使用耐高壓的元器件，是以高壓探頭一般實體尺寸較大。
圖9 高壓探頭的結構
三、有源探頭
我們先來觀察一下用600MHz無源探頭和1.5GHz有源探頭測試1ns上升時間階躍信号的影響。使用脈沖發生器産生一個1ns的階躍信号，通過測試夾具後，使用SMA電纜直接連接配接到一個1.5GHz帶寬的示波器上，這樣示波器上會顯示一個波形(如下圖中的蘭色信号)，把這個波形存為參考波形。
然後使用探頭點測測試夾具去探測被測信号，通過SMA直連的波形因為受探頭負載的影響而變成黃色的波形，探頭通道顯示的是綠色的波形。然後分别測試上升時間，可以看出無源探頭和有源探頭對高速信号的影響。
圖10 無源探頭和有源探頭對被測信号和測量結果的影響
具體測試結果如下：
使用1165A 600MHz無源探頭，使用鳄魚嘴接地線：受探頭負載的影響，上升時間變為：1.9ns;探頭通道顯示的波形存在振鈴，上升時間為：1.85ns;
使用1156A 1.5GHz有源探頭，使用5cm接地線：受探頭負載的影響較小，上升時間仍為：1ns;探頭通道顯示的波形與原始信号一緻，上升時間仍為：1ns。
單端有源探頭結構圖如下，使用放大器實作阻抗變換的目的。單端有源探頭的輸入阻抗較高(一般達100Kohm以上)，而輸入電容較小(一般小于1pf)，通過探頭放大器後連接配接到示波器，示波器必須使用50ohm輸入阻抗。
有源探頭帶寬寬(現在可達30GHz)，而負載小，但是價格相對較高(一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10%左右)，動态範圍較小(這個需要注意，因為超過探頭動态範圍的信号，不能正确測試。一般動态範圍5V左右)，比較脆弱，使用需小心。
圖11 有源探頭結構
差分探頭結構圖如下，使用差分放大器實作阻抗變換的目的。差分探頭的輸入阻抗較高(一般達50Kohm以上)，而輸入電容較小(一般小于1pf)，通過差分探頭放大器後連接配接到示波器，示波器必須使用50ohm 輸入阻抗。
差分探頭帶寬非常寬(現在可達30GHz)，負載非常小，具有較高共模抑制比，但是價格相對較高(一般每根探頭達到同樣帶寬示波器價格的10%左右)，動态範圍也較小(這個需要注意，因為超過探頭動态範圍的信号，不能正确測試。一般動态範圍3V左右)，比較脆弱，使用需小心。
差分探頭适合測試高速差分信号(測試時不用接地)，适合放大器測試，電源測試，适合虛地測試等應用。
圖12 差分探頭結構
電流探頭也是有源探頭，利用霍爾傳感器和感應線圈實作直流和交流電流的測量。電流探頭把電流信号轉換成電壓信号，示波器采集電壓信号，再顯示成電流信号。電流探頭可以測試幾十毫安到幾百安培的電流，使用時需要引出電流線(電流探頭是把導線夾在中間進行測試的，不會影響被測電路)。
電流探頭在測試直流和低頻交流時的工作原理：
當電流鉗閉合，把一通有電流的導體圍在中心時，響應地會出現一個磁場。這些磁場使霍爾傳感器内的電子發生偏轉，在霍爾傳感器的輸出産生一個電動勢。
電流探頭根據這個電動勢産生一個反向(補償)電流送至電流探頭的線圈，使電流鉗中的磁場為零，以防止飽和。
電流探頭根據反向電流測得實際的電流值。用這個方法，能夠非常線性的測量大電流，包括交直流混合的電流。
圖13 電流探頭測試直流和低頻時的工作原理
電流探頭在測試高頻時的工作原理：
随着被測電流頻率的增加，霍爾效應逐漸減弱，當測量一個不含直流成分的高頻交流電流時，大部分是通過磁場的強弱直接感應到電流探頭的線圈。此時，探頭就像一個電流變壓器，電流探頭直接測量的是感應電流，而不是補償電流，功放的輸出為線圈提供一個低阻抗的接地回路。
圖14 電流探頭測試高頻時的工作原理
電流探頭在交叉區域時的工作原理：
當電流探頭工作在20KHz的高低頻交叉區域時，部分測量是通過霍爾傳感器實作的，另一部分是通過線圈實作的。
四、有源探頭附件
現代的高帶寬有源探頭都采用分離式的設計方法，即：探頭放大器與探頭附件部分分開。這樣設計的好處是：
1、支援更多的探頭附件，使得探測更加的靈活;
2、保護投資，最貴的是探頭放大器(一個探頭放大器可以支援多種探測方式，以前需要幾個探頭來實作);同時探頭附件保護探頭放大器(探頭附件即使損壞，價格也相對便宜);
3、這種設計方式容易實作高帶寬。
圖16 探頭附件
這些探頭附件，主要包括以下幾種：
1、點測探頭附件(包括：單端點測和差分點測);
2、焊接探頭附件(包括：單端焊接和差分焊接，分離式的ZIF焊接);
3、插孔探頭附件;
4、差分SMA探頭附件(示波器一般直接支援SMA連接配接，但是如果被測信号需要上拉如HDMI，則必須使用SMA探頭附件)。
探頭附件的電路結構如下圖所示：
1、在探頭附件尖端部分會有一對阻尼電阻(一般82ohm)，這對阻尼電阻的作用是消除探頭附件尖端部分的電感的諧振影響;
2、探頭尖端部分的後面是25Kohm的電阻，這個電阻決定了探頭的輸入阻抗(直流輸入阻抗即電阻：單端25Kohm，差分50Kohm)，這個電阻使得被測信号傳輸到探頭放大器部分的功率是非常小的，不至于對被測信号有較大影響。
3、25Kohm的電阻後面是同軸傳輸線部分，這個傳輸線負責把小信号傳輸到放大器。這個傳輸線的長度可以很長，也可以很短，中間可以加衰減器，也可以加耦合電容。
4、同軸傳輸線連接配接到放大器，放大器是50ohm比對的(差分100ohm比對)。
圖17 有源探頭附件的結構
有源探頭為了保持探頭的精确度，需要工作在恒溫狀态，是以探頭放大器不能放置到高低溫箱裡進行高低溫環境下被測電路闆的測試。從探頭附件結構中可見中間的50ohm傳輸線的長短不影響探測，是以可以用很長的同軸電纜或擴充同軸電纜，讓這個同軸電纜伸進高低溫箱裡進行高低溫換進下被測電路闆的測試。
如下圖是N5450A擴充電纜，使用N5381A焊接探頭附件，可以工作在-55°到150°溫度範圍。
圖18 高低溫探頭結構原理