示波器探头细说一二

示波器探头校准-补偿电容

     咱搞硬件的，经常东西用着用着就不见了，什么镊子，钳子，螺丝刀，总逃不过这样的命运。这不，补充了2个示波器探头。

     说到换示波器探头，一件事要做的就是进行校准了。示波器探头有很多种，使用多的应该是无源高阻示波器探头，我使用的也是这个，所以本文就只讲无源高阻示波器探头。

如何进行示波器探头校准

     如图，所示位置一般有一个可调电容旋钮，用螺丝刀是可以拧动的，校准就是调这个。需要注意的是，调节的时候用示波器探头包装里面自动的塑料工具，而不要用金属螺丝刀。因为这个可变电容本身不大，使用金属螺丝刀会改变其容值，感兴趣的同学可以试一下，会出现这个现象，本来调好的波形，螺丝刀一旦拿开，波形又不好了。

    同时，示波器一般会有一个产生方波的接头。

    校准过程：

    1、将示波器探头接到示波器通道上

    2、将示波器探头的衰减比调到x10档，同时将示波器对应通道的倍率调到x10

    3、测量示波器产生的方波，观察波形，同时转动示波器探头上面的电容旋钮，直至方波波形好，判断的标准如下图。

为何要对示波器探头进行校准呢

     前面介绍了如何进行探头校准补偿，补偿方法也比较简单，那么为什么要这么做呢？难道厂家不能提前做好吗？

     这里就需要了解示波器探头的一个等效电路，还有示波器通道输入端的等效电路了。

     如上图，在探头在x10衰减档时，探头前端等效为9MΩ+20pF并联，中间是1.5m探头线，会存在寄生电容，尾部有可调电容。

     这里提一下寄生电容是怎么来的？

     我们知道，电容的本质就是两个极板放到一起，容值的大小与极板的面积与距离相关。探头信号线和地线就相当于是两个极板，因此就构成了一个电容。探头线一般是1.5m长左右，这个长度比较长，因此，这个寄生电容是很可观的，可以达到上百皮法。

     为了便于分析，将以上电路合并，C2=可变电容+寄生电容+示波器通道输入电容

     我们目的，就是为了使Vin与Vo的波形一致，不能出现失真。这里要提一下，这里的波形可能很复杂，可能由多个频率成分构成，而我们需要的是，不论是哪个频率，Vin/Vo都是一个相同的值。

     那么满足的条件就是：R1，C1合起来的阻抗与R2，C2合起来的阻抗为一定的倍数关系，这里说的阻抗是复数，电阻R为实部，电容1/jwc为虚部。

     要满足上述条件，只能是实部的比值与虚部的比值相同。R1=9M，R2=1M

     那么很容易得出：C2/C1=9

     C2=可变电容+寄生电容+示波器通道输入电容，不同的探头寄生的电容都会有些差别，而不同的示波器的输入电容也不尽相同，为了满足上述公式，所以加了可变电容调节。

示波器测量高频信号为什么要用x10档（一）

      说到换示波器探头，一次使用需要对探头进行补偿电容的调节。使用示波器还有一个重要的点需要知道，那就是测试高频的时候需要用x10档，而不要用x1挡。这一点可能很多人都知道，但并不一定知道更深一点的原因，那么，我们就来说一说。

无缘高阻示波器探头带宽

      提一下，示波器探头的带宽也类似一个通滤波器，一般指3Db带宽。比如探头带宽标准100Mhz，可以理解为，测量100Mhz的正弦波信号，实际测量的值会比真实值衰减到了0.707倍。

     需要注意的是，这里说的是正弦波，而我们测量信号是各种各样的，含有很多的频率分量。比如方波的频谱是由无数种奇次谐波构成，而一般至少要5次谐波才能较好的还原方波信号。

     因此100Mhz带宽的探头，只能保证测试20Mhz以下信号才能不出现明显失真。并不是100Mhz带宽的探头，可以测量100Mhz信号不失真，示波器标注的带宽也是如此。

     所以，我们一般说，示波器带宽为N的示波器，可以测试的高信号频率是N/5。下面来看一看某厂示波器探头参数

     可以看到探头x1带宽都是6Mhz，而x10档的带宽虽说各个型号不尽相同，但都是比x1挡要高不少。

     按照先前说的，6Mhz带宽，那么其测试信号不失真的频率是1.2Mhz。因此我们说x1挡是不能用来测量高频信号的，如果要测量高频信号，需要用到x10挡。

     X1挡的带宽为什么就比x10挡的低呢？

     由上我们知道了一个事实，测高频要用x10挡。然而问题永远都是无穷无尽的，而寻找问题的答案就是加深我们学习的过程，知道推到过程远比只记一个结论来得有意思。

     新问题来了，凭啥x1档的带宽就要比x10的低呢？

     要解决这个问题，我们就需要看x1档的等效电路与x10的等效电路有什么不同。

经过电容补偿之后，带宽可以做高,

     X1档没有了前面的9M电阻，只有一个几百Ω的电阻，这个电阻可能各家不太一样。这个其实是一个低通滤波器，假设电阻是200Ω，C2电容为100pF，滤波器的截止频率为3.2Mhz。不同厂家的设备串联的电阻和C2等效电容都有些差别，所以上面举例x1挡的带宽是6Mhz也就能理解了。

     也许有人会说，我在那个几百欧的电阻上面像x10挡那样并联一个电容进行补偿，不也可以做成更高带宽吗？

     我们来算一下，必须满足公式R1*C=R2*C2R1=200Ω，R2=1MΩ，C2=100pf

     计算的C=500nF

     这么一看，在R1上面并联一个500nF左右的电容做补偿，应该也可以啊。

     那为什么没这么干呢？

      这个答案自然是不能的，不然厂家也不会那么傻，几乎不增加成本的情况下，能做更高带宽的话为什么不呢？

      那么技术上为什么不可行呢？

      这个问题肯定出在这个500nF电容上面，想想这个电容容值这么大，500nF，而后级的电容才100pf左右，这是差了5000倍啊，完全不是一个量级，头重脚轻的，直觉都觉得有问题。

      当然，分析问题总不能靠直觉吧。

      要把带宽做高，自然是这个补偿等效电路模型在高频的情况下也能有效。于是想到了电容高频特性，

      高频模型如下：

      这个想必大家应该都见过，实际电容器会存在ESR（R1），由于介质都不是绝缘的，因此会有电阻R2，还有寄生电感，或者是电容的引线电感L1。

     频率-阻抗特性如下：

      上图是某100nF贴片陶瓷电容的特性，“V”字底部对应为谐振频率，谐振频率大概是20Mhz左右。

      根据谐振公式：

     同种类型，同种封装500nF贴片陶瓷电容寄生电感应该跟100nF差不多，因此推算500nF对应谐振频率大概是8.9Mhz。

     这个谐振频率8.9Mhz意义着什么呢？

     信号频率为8.9Mhz时，这个电容等效为一个纯电阻；信号小于8.9Mhz时，电容主要呈容性，而在信号大于8.9Mhz时，这个电容主要呈感性。

      那么问题到现在应该清楚了，如果我们用这种方式去补偿，在高频阶段，电容都主要呈电感性了，那个电容补偿的电路模型都不对了，还咋补偿啊。

     X10档为什么可以

     X10档对应的那个电容为20pF，按照上述方式推算谐振频率为1.4Ghz，而示波器带宽到200-300Mhz，在这个频率，电容主要还是容性的。