第六講 示波器基礎(chǔ)之無源探頭

中心議題： 10倍無源探頭的模型和輸入負載設(shè)定 無源電壓探頭的校準(zhǔn) 作為一名專業(yè)的硬件設(shè)計及測試工程師，我們每天都在使用各種不同的數(shù)字示波器進行相關(guān)電氣信號量的量測。 與這些示波器相配的探頭種類也非常多，包括無源探頭（包括高壓探頭，傳輸線探頭）、有源探頭（包括有源單端探頭、有源差分探頭等），電流探頭、光探頭等。每種探頭各有其優(yōu)缺點，因而各有其適用的場合。其中，有源探頭因具有帶寬高，輸入電容小，地環(huán)路小等優(yōu)點從而被廣泛使用在高速數(shù)字量測領(lǐng)域，但有源探頭的價位高，動態(tài)范圍小，靜電敏感，校準(zhǔn)麻煩，因此，每個工程師使用示波器的入門級探頭通常是無源探頭。最常見的500Mhz的無源電壓探頭適用于一般的電路測量和快速診斷，可以滿足大多數(shù)的低速數(shù)字信號、TV、電源和其它的一些典型的示波器應(yīng)用。

本文我們將集中討論無源電壓探頭的模型和參數(shù)設(shè)定以及使用校準(zhǔn)原理。

一、10倍無源探頭的模型以及輸入負載設(shè)定

圖1. 探頭原理圖
圖1是工程師常用的10倍無源電壓探頭的原理圖，其中：
Rp (9 MΩ)和Cp位于探頭尖端內(nèi)
Rp為探頭輸入阻抗
Cp為探頭輸入電容
R1 (1 MΩ)表示示波器的輸入阻抗
C1表示示波器的輸入電容和同軸電纜等效電容以及探頭補償箱電容的組合值

為了精確地測量，兩個RC時間常量（RpCp和R1C1）必須相等；任何不平衡都會帶來測量波形的失真，從來引起使一些參數(shù)如上升時間、幅度的測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，在測量前需要校準(zhǔn)示波器的探頭的工作以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 從探頭的信號模型我們可以分析， 對于信號的DC量測，輸入容性Cp和C1等效為開路。信號通過Rp和R1進行分壓，最終示波器的輸入為： Vout=[R1/Rp+R1]*Vin=1/10* Vin

示波器輸入信號衰減為待測輸入信號的1/10。對于較高頻率的輸入信號,容抗對于信號的影響會大于阻抗。例如，一個標(biāo)準(zhǔn)的1MΩ~10pF的無源電壓探頭，輸入信號的頻率為100MHz，此時，探頭輸入容抗為：
Xc(Cp) = 1/（2×π×f×C）=159Ω
容抗遠遠小于9MΩ的探頭阻抗，信號電流更多的會通過輸入電容提供的低阻回路，9MΩ阻抗的高阻回路等效為旁路。也可以理解為159 Ω和9MΩ的并聯(lián)之后等效阻抗為159 Ω。此時,實際輸入到示波器的信號幅度（AC/高頻）是由探頭的輸入電容以及回路總電容的比值決定，等效為：
Vout=[Cp/Cp+C1]*Vin

一般來說，無源探頭的電纜存在8-10pF/foot的容性負載（1 foot 英尺=12 inches 英寸=0.3048 metre 米），1.5nS/foot的上升時間。 對于一個6feet的電纜就存在60pF容性，加上一般示波器的20pF的輸入電容以及一些雜散，大致為90pF左右。根據(jù)1：10的分壓，探頭的輸入電容應(yīng)該為10pF左右才能滿足 Vout/Vin=[10/10+90]=1/10 輸入衰減10倍的特性?？紤]到探頭和電纜容性的一些誤差，需要使用探頭補償電容箱來進行一個回路補償，由于誤差，無源電壓探頭的輸入容性一般為8~12pF之間。目前主流的10倍無源電壓探頭的輸入負載模型一般都是輸入電容8~12pF，輸入電阻9M歐。
二、無源電壓探頭的校準(zhǔn)
討論到這里，對于無源探頭的輸入模型大家應(yīng)該有了一定的了解，那為什么為了精確地測量，兩個RC時間常量（RpCp和R1C1）必須相等，測量前需要校準(zhǔn)呢？我們可以再進一步簡化探頭模型為一個更簡單的阻容分壓電路如下：
圖2. 探頭阻容分壓電路
讓我們來進行一個簡單的推導(dǎo)計算:
1.計算初始值uC2(0＋)由于電容電壓發(fā)生躍變，要根據(jù)電荷守恒定律和KVL來確定
2.計算穩(wěn)態(tài)uC2(￥)電容開路時，按照電阻分壓公式得到
3.計算時間常數(shù)
4.用三要素公式得到電容電壓uC2(t)
我們可以看到,波形有3種情況:
1.完全補償


2.過補償


3.欠補償


以下圖示給出了欠補償、過補償和合理補償三種情況下探頭產(chǎn)生的波形。
圖3. 探頭欠補償波形圖

圖4. 探頭過補償說明圖

圖5. 探頭正常補償說明圖
所以, 在獲得一臺可以工作的示波器和探頭后應(yīng)該要做的第一項工作是校準(zhǔn)探頭以保證其內(nèi)部RC時間常量匹配。這時需要將探頭連接到示波器的探頭補償輸出。然后使用非磁性調(diào)節(jié)工具調(diào)節(jié)補償箱中的調(diào)節(jié)螺螺絲完成校準(zhǔn)一直觀察到平坦的波形響應(yīng)。不要太頻繁校準(zhǔn)，因為沒有必要。

本文關(guān)于無源電壓探頭模型的參數(shù)設(shè)定以及校準(zhǔn)的原理就介紹到這里,而對于示波器和探頭以及數(shù)字測量在業(yè)內(nèi)有很多的經(jīng)典理論以及應(yīng)用原則,比如信號的滾降特性,DSP信號濾波的處理。如何確保最真實的還原待測信號,大家可以參閱更多專業(yè)的書籍。 希望本文的介紹可以讓硬件工程師們更深入和全面的了解我們的測量工具,真正做到還原真實信號。