示波器探頭細(xì)說(shuō)一二

示波器探頭校準(zhǔn)-補(bǔ)償電容

     咱搞硬件的，經(jīng)常東西用著用著就不見(jiàn)了，什么鑷子，鉗子，螺絲刀，總逃不過(guò)這樣的命運(yùn)。這不，補(bǔ)充了2個(gè)示波器探頭。

     說(shuō)到換示波器探頭，一件事要做的就是進(jìn)行校準(zhǔn)了。示波器探頭有很多種，使用多的應(yīng)該是無(wú)源高阻示波器探頭，我使用的也是這個(gè)，所以本文就只講無(wú)源高阻示波器探頭。

如何進(jìn)行示波器探頭校準(zhǔn)

     如圖，所示位置一般有一個(gè)可調(diào)電容旋鈕，用螺絲刀是可以擰動(dòng)的，校準(zhǔn)就是調(diào)這個(gè)。需要注意的是，調(diào)節(jié)的時(shí)候用示波器探頭包裝里面自動(dòng)的塑料工具，而不要用金屬螺絲刀。因?yàn)檫@個(gè)可變電容本身不大，使用金屬螺絲刀會(huì)改變其容值，感興趣的同學(xué)可以試一下，會(huì)出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，本來(lái)調(diào)好的波形，螺絲刀一旦拿開(kāi)，波形又不好了。

    同時(shí)，示波器一般會(huì)有一個(gè)產(chǎn)生方波的接頭。

    校準(zhǔn)過(guò)程：

    1、將示波器探頭接到示波器通道上

    2、將示波器探頭的衰減比調(diào)到x10檔，同時(shí)將示波器對(duì)應(yīng)通道的倍率調(diào)到x10

    3、測(cè)量示波器產(chǎn)生的方波，觀察波形，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)示波器探頭上面的電容旋鈕，直至方波波形好，判斷的標(biāo)準(zhǔn)如下圖。

為何要對(duì)示波器探頭進(jìn)行校準(zhǔn)呢

     前面介紹了如何進(jìn)行探頭校準(zhǔn)補(bǔ)償，補(bǔ)償方法也比較簡(jiǎn)單，那么為什么要這么做呢？難道廠家不能提前做好嗎？

     這里就需要了解示波器探頭的一個(gè)等效電路，還有示波器通道輸入端的等效電路了。

     如上圖，在探頭在x10衰減檔時(shí)，探頭前端等效為9MΩ+20pF并聯(lián)，中間是1.5m探頭線，會(huì)存在寄生電容，尾部有可調(diào)電容。

     這里提一下寄生電容是怎么來(lái)的？

     我們知道，電容的本質(zhì)就是兩個(gè)極板放到一起，容值的大小與極板的面積與距離相關(guān)。探頭信號(hào)線和地線就相當(dāng)于是兩個(gè)極板，因此就構(gòu)成了一個(gè)電容。探頭線一般是1.5m長(zhǎng)左右，這個(gè)長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，因此，這個(gè)寄生電容是很可觀的，可以達(dá)到上百皮法。

     為了便于分析，將以上電路合并，C2=可變電容+寄生電容+示波器通道輸入電容

     我們目的，就是為了使Vin與Vo的波形一致，不能出現(xiàn)失真。這里要提一下，這里的波形可能很復(fù)雜，可能由多個(gè)頻率成分構(gòu)成，而我們需要的是，不論是哪個(gè)頻率，Vin/Vo都是一個(gè)相同的值。

     那么滿足的條件就是：R1，C1合起來(lái)的阻抗與R2，C2合起來(lái)的阻抗為一定的倍數(shù)關(guān)系，這里說(shuō)的阻抗是復(fù)數(shù)，電阻R為實(shí)部，電容1/jwc為虛部。

     要滿足上述條件，只能是實(shí)部的比值與虛部的比值相同。R1=9M，R2=1M

     那么很容易得出：C2/C1=9

     C2=可變電容+寄生電容+示波器通道輸入電容，不同的探頭寄生的電容都會(huì)有些差別，而不同的示波器的輸入電容也不盡相同，為了滿足上述公式，所以加了可變電容調(diào)節(jié)。

示波器測(cè)量高頻信號(hào)為什么要用x10檔（一）

      說(shuō)到換示波器探頭，一次使用需要對(duì)探頭進(jìn)行補(bǔ)償電容的調(diào)節(jié)。使用示波器還有一個(gè)重要的點(diǎn)需要知道，那就是測(cè)試高頻的時(shí)候需要用x10檔，而不要用x1擋。這一點(diǎn)可能很多人都知道，但并不一定知道更深一點(diǎn)的原因，那么，我們就來(lái)說(shuō)一說(shuō)。

無(wú)緣高阻示波器探頭帶寬

      提一下，示波器探頭的帶寬也類似一個(gè)通濾波器，一般指3Db帶寬。比如探頭帶寬標(biāo)準(zhǔn)100Mhz，可以理解為，測(cè)量100Mhz的正弦波信號(hào)，實(shí)際測(cè)量的值會(huì)比真實(shí)值衰減到了0.707倍。

     需要注意的是，這里說(shuō)的是正弦波，而我們測(cè)量信號(hào)是各種各樣的，含有很多的頻率分量。比如方波的頻譜是由無(wú)數(shù)種奇次諧波構(gòu)成，而一般至少要5次諧波才能較好的還原方波信號(hào)。

     因此100Mhz帶寬的探頭，只能保證測(cè)試20Mhz以下信號(hào)才能不出現(xiàn)明顯失真。并不是100Mhz帶寬的探頭，可以測(cè)量100Mhz信號(hào)不失真，示波器標(biāo)注的帶寬也是如此。

     所以，我們一般說(shuō)，示波器帶寬為N的示波器，可以測(cè)試的高信號(hào)頻率是N/5。下面來(lái)看一看某廠示波器探頭參數(shù)

     可以看到探頭x1帶寬都是6Mhz，而x10檔的帶寬雖說(shuō)各個(gè)型號(hào)不盡相同，但都是比x1擋要高不少。

     按照先前說(shuō)的，6Mhz帶寬，那么其測(cè)試信號(hào)不失真的頻率是1.2Mhz。因此我們說(shuō)x1擋是不能用來(lái)測(cè)量高頻信號(hào)的，如果要測(cè)量高頻信號(hào)，需要用到x10擋。

     X1擋的帶寬為什么就比x10擋的低呢？

     由上我們知道了一個(gè)事實(shí)，測(cè)高頻要用x10擋。然而問(wèn)題永遠(yuǎn)都是無(wú)窮無(wú)盡的，而尋找問(wèn)題的答案就是加深我們學(xué)習(xí)的過(guò)程，知道推到過(guò)程遠(yuǎn)比只記一個(gè)結(jié)論來(lái)得有意思。

     新問(wèn)題來(lái)了，憑啥x1檔的帶寬就要比x10的低呢？

     要解決這個(gè)問(wèn)題，我們就需要看x1檔的等效電路與x10的等效電路有什么不同。

經(jīng)過(guò)電容補(bǔ)償之后，帶寬可以做高,

     X1檔沒(méi)有了前面的9M電阻，只有一個(gè)幾百Ω的電阻，這個(gè)電阻可能各家不太一樣。這個(gè)其實(shí)是一個(gè)低通濾波器，假設(shè)電阻是200Ω，C2電容為100pF，濾波器的截止頻率為3.2Mhz。不同廠家的設(shè)備串聯(lián)的電阻和C2等效電容都有些差別，所以上面舉例x1擋的帶寬是6Mhz也就能理解了。

     也許有人會(huì)說(shuō)，我在那個(gè)幾百歐的電阻上面像x10擋那樣并聯(lián)一個(gè)電容進(jìn)行補(bǔ)償，不也可以做成更高帶寬嗎？

     我們來(lái)算一下，必須滿足公式R1*C=R2*C2R1=200Ω，R2=1MΩ，C2=100pf

     計(jì)算的C=500nF

     這么一看，在R1上面并聯(lián)一個(gè)500nF左右的電容做補(bǔ)償，應(yīng)該也可以啊。

     那為什么沒(méi)這么干呢？

      這個(gè)答案自然是不能的，不然廠家也不會(huì)那么傻，幾乎不增加成本的情況下，能做更高帶寬的話為什么不呢？

      那么技術(shù)上為什么不可行呢？

      這個(gè)問(wèn)題肯定出在這個(gè)500nF電容上面，想想這個(gè)電容容值這么大，500nF，而后級(jí)的電容才100pf左右，這是差了5000倍啊，完全不是一個(gè)量級(jí)，頭重腳輕的，直覺(jué)都覺(jué)得有問(wèn)題。

      當(dāng)然，分析問(wèn)題總不能靠直覺(jué)吧。

      要把帶寬做高，自然是這個(gè)補(bǔ)償?shù)刃щ娐纺Ｐ驮诟哳l的情況下也能有效。于是想到了電容高頻特性，

      高頻模型如下：

      這個(gè)想必大家應(yīng)該都見(jiàn)過(guò)，實(shí)際電容器會(huì)存在ESR（R1），由于介質(zhì)都不是絕緣的，因此會(huì)有電阻R2，還有寄生電感，或者是電容的引線電感L1。

     頻率-阻抗特性如下：

      上圖是某100nF貼片陶瓷電容的特性，“V”字底部對(duì)應(yīng)為諧振頻率，諧振頻率大概是20Mhz左右。

      根據(jù)諧振公式：

     同種類型，同種封裝500nF貼片陶瓷電容寄生電感應(yīng)該跟100nF差不多，因此推算500nF對(duì)應(yīng)諧振頻率大概是8.9Mhz。

     這個(gè)諧振頻率8.9Mhz意義著什么呢？

     信號(hào)頻率為8.9Mhz時(shí)，這個(gè)電容等效為一個(gè)純電阻；信號(hào)小于8.9Mhz時(shí)，電容主要呈容性，而在信號(hào)大于8.9Mhz時(shí)，這個(gè)電容主要呈感性。

      那么問(wèn)題到現(xiàn)在應(yīng)該清楚了，如果我們用這種方式去補(bǔ)償，在高頻階段，電容都主要呈電感性了，那個(gè)電容補(bǔ)償?shù)碾娐纺Ｐ投疾粚?duì)了，還咋補(bǔ)償啊。

     X10檔為什么可以

     X10檔對(duì)應(yīng)的那個(gè)電容為20pF，按照上述方式推算諧振頻率為1.4Ghz，而示波器帶寬到200-300Mhz，在這個(gè)頻率，電容主要還是容性的。