示波器探頭細說一二

示波器探頭校準-補償電容

     咱搞硬件的，經常東西用著用著就不見了，什么鑷子，鉗子，螺絲刀，總逃不過這樣的命運。這不，補充了2個示波器探頭。

     說到換示波器探頭，一件事要做的就是進行校準了。示波器探頭有很多種，使用多的應該是無源高阻示波器探頭，我使用的也是這個，所以本文就只講無源高阻示波器探頭。

如何進行示波器探頭校準

     如圖，所示位置一般有一個可調電容旋鈕，用螺絲刀是可以擰動的，校準就是調這個。需要注意的是，調節的時候用示波器探頭包裝里面自動的塑料工具，而不要用金屬螺絲刀。因為這個可變電容本身不大，使用金屬螺絲刀會改變其容值，感興趣的同學可以試一下，會出現這個現象，本來調好的波形，螺絲刀一旦拿開，波形又不好了。

    同時，示波器一般會有一個產生方波的接頭。

    校準過程：

    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到x10檔，同時將示波器對應通道的倍率調到x10

    3、測量示波器產生的方波，觀察波形，同時轉動示波器探頭上面的電容旋鈕，直至方波波形好，判斷的標準如下圖。

為何要對示波器探頭進行校準呢

     前面介紹了如何進行探頭校準補償，補償方法也比較簡單，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，探頭前端等效為9MΩ+20pF并聯，中間是1.5m探頭線，會存在寄生電容，尾部有可調電容。

     這里提一下寄生電容是怎么來的？

     我們知道，電容的本質就是兩個極板放到一起，容值的大小與極板的面積與距離相關。探頭信號線和地線就相當于是兩個極板，因此就構成了一個電容。探頭線一般是1.5m長左右，這個長度比較長，因此，這個寄生電容是很可觀的，可以達到上百皮法。

     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，不能出現失真。這里要提一下，這里的波形可能很復雜，可能由多個頻率成分構成，而我們需要的是，不論是哪個頻率，Vin/Vo都是一個相同的值。

     那么滿足的條件就是：R1，C1合起來的阻抗與R2，C2合起來的阻抗為一定的倍數關系，這里說的阻抗是復數，電阻R為實部，電容1/jwc為虛部。

     要滿足上述條件，只能是實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節。

示波器測量高頻信號為什么要用x10檔（一）

      說到換示波器探頭，一次使用需要對探頭進行補償電容的調節。使用示波器還有一個重要的點需要知道，那就是測試高頻的時候需要用x10檔，而不要用x1擋。這一點可能很多人都知道，但并不一定知道更深一點的原因，那么，我們就來說一說。

無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通濾波器，一般指3Db帶寬。比如探頭帶寬標準100Mhz，可以理解為，測量100Mhz的正弦波信號，實際測量的值會比真實值衰減到了0.707倍。

     需要注意的是，這里說的是正弦波，而我們測量信號是各種各樣的，含有很多的頻率分量。比如方波的頻譜是由無數種奇次諧波構成，而一般至少要5次諧波才能較好的還原方波信號。

     因此100Mhz帶寬的探頭，只能保證測試20Mhz以下信號才能不出現明顯失真。并不是100Mhz帶寬的探頭，可以測量100Mhz信號不失真，示波器標注的帶寬也是如此。

     所以，我們一般說，示波器帶寬為N的示波器，可以測試的高信號頻率是N/5。下面來看一看某廠示波器探頭參數

     可以看到探頭x1帶寬都是6Mhz，而x10檔的帶寬雖說各個型號不盡相同，但都是比x1擋要高不少。

     按照先前說的，6Mhz帶寬，那么其測試信號不失真的頻率是1.2Mhz。因此我們說x1擋是不能用來測量高頻信號的，如果要測量高頻信號，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事實，測高頻要用x10擋。然而問題永遠都是無窮無盡的，而尋找問題的答案就是加深我們學習的過程，知道推到過程遠比只記一個結論來得有意思。

     新問題來了，憑啥x1檔的帶寬就要比x10的低呢？

     要解決這個問題，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。

經過電容補償之后，帶寬可以做高,

     X1檔沒有了前面的9M電阻，只有一個幾百Ω的電阻，這個電阻可能各家不太一樣。這個其實是一個低通濾波器，假設電阻是200Ω，C2電容為100pF，濾波器的截止頻率為3.2Mhz。不同廠家的設備串聯的電阻和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。

     也許有人會說，我在那個幾百歐的電阻上面像x10擋那樣并聯一個電容進行補償，不也可以做成更高帶寬嗎？

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

     計算的C=500nF

     這么一看，在R1上面并聯一個500nF左右的電容做補償，應該也可以啊。

     那為什么沒這么干呢？

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

      那么技術上為什么不可行呢？

      這個問題肯定出在這個500nF電容上面，想想這個電容容值這么大，500nF，而后級的電容才100pf左右，這是差了5000倍啊，完全不是一個量級，頭重腳輕的，直覺都覺得有問題。

      當然，分析問題總不能靠直覺吧。

      要把帶寬做高，自然是這個補償等效電路模型在高頻的情況下也能有效。于是想到了電容高頻特性，

      高頻模型如下：

      這個想必大家應該都見過，實際電容器會存在ESR（R1），由于介質都不是絕緣的，因此會有電阻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”字底部對應為諧振頻率，諧振頻率大概是20Mhz左右。

      根據諧振公式：

     同種類型，同種封裝500nF貼片陶瓷電容寄生電感應該跟100nF差不多，因此推算500nF對應諧振頻率大概是8.9Mhz。

     這個諧振頻率8.9Mhz意義著什么呢？

     信號頻率為8.9Mhz時，這個電容等效為一個純電阻；信號小于8.9Mhz時，電容主要呈容性，而在信號大于8.9Mhz時，這個電容主要呈感性。

      那么問題到現在應該清楚了，如果我們用這種方式去補償，在高頻階段，電容都主要呈電感性了，那個電容補償的電路模型都不對了，還咋補償啊。

     X10檔為什么可以

     X10檔對應的那個電容為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，在這個頻率，電容主要還是容性的。