淺談示波器探頭原理

看下文之前，我們必須知道為什么要用這類探頭，比如說X10，X100,X1000之類的探頭。這就需要了解示波器探頭負載效應(yīng)。

1. 探頭負載效應(yīng)
   探頭的負載效應(yīng)簡單來說就是在你用探頭測電路中的其中兩點的波形時，相當(dāng)于在這兩點中接入了一個負載，而這個負載的大小，直接影響電路的狀態(tài)，造成測量結(jié)果的不正確性。

每個示波器探頭都有其輸入阻抗，這個阻抗是特性阻抗，不僅是因為電阻造成的，還包含了電容和電感等因素。由于探頭引入的額外負載，所以探頭接入被測電路后，會從信號中汲取能量，實際上就會影響被測電路，最惡劣的后果就是電路本來是正常工作的，引入示波器探頭后卻不正常了，工程師就容易得出與事實相反的結(jié)論。因此我們分析測量結(jié)果時必須考慮探頭的負載特性以及測試電路的阻抗匹配性。

有些示波器探頭里沒有串聯(lián)的電阻，這類探頭主要就由一段電纜和一個測試頭構(gòu)成，因此，在其有用帶寬之內(nèi)，探頭對信號沒有衰減作用。這類探頭稱為1：1或X1探頭。由于這類探頭在測試點處將其自身的電容（包括電纜的電容）與示波器的輸入阻抗連在了一起，所以這種探頭具有負載效應(yīng)。見圖2。

當(dāng)信號頻率升高時，探頭的容性負載效應(yīng)就變得更加顯著。由于電纜的類型和長度的不同以及探頭本身構(gòu)造等原因，1：1探頭的輸入電容通?？梢詮拇蠹s35pF到100pF以上，這等于給被測電路施加了一個低阻抗負載，具有47pF輸入電容1：1探頭在20MHz之下的電抗僅為169W，這就使得這個探頭在此頻率無法使用。

我們可以在探頭中增加一個和示波器輸入阻抗相串聯(lián)的阻抗，用這種辦法就可以減小探頭的負載效應(yīng)。然而，這就意味著輸入電壓不能完全加到示波器的輸入端，因為我們現(xiàn)在已經(jīng)引入了一個電阻分壓結(jié)構(gòu)。圖3給出了電阻分壓的探頭等效電路，Rp和Rs構(gòu)成了一個10：1的分壓器，Rs為示波器的輸入阻抗。調(diào)節(jié)補償電容C3使得探頭和示波器通道RC乘積相匹配，這樣就能保證在探頭的尖端獲得正確的頻率響應(yīng)曲線，并且這種探頭的頻率響應(yīng)比1：1探頭頻率響應(yīng)要寬得多。

二、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)果不準確。因此，在測量前需要校準示波器的探頭的工作以保證測量結(jié)果的準確性。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，一個標準的1MΩ~10p+0F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。考慮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.