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作为一名电气狗，平日里少不了的就是和示波器打交道。用到最多的就是文章一开始的图中所示的无源示波器探头。平日里觉得这个东西平淡无奇，就是一根连接到示波器的线嘛，直接用就完了。直到今天上课的时候老师讲课的最后提到一句示波器探头的电容补偿的时候勾起了我的兴趣，下课查阅资料才知道原来探头其实大有文章，写在这里跟大家分享。
示波器探头补偿原理
示波器输入电阻
首先，示波器探头无法就是将电路信号送入示波器，似乎直接连起来就能搞定了。如下图所示
但是我们使用万用表测量示波器探头两端的电阻
万用表测量探头两端电阻，图片来自网络，侵删
啥？居然有9M这么多，而我们来看示波器，细心的朋友们一定发现在示波器的输入接口旁边一般都标记有 的对地输入电阻参数。这是什么名堂？
示波器输入接口
其实，在使用示波器探头测量电路的时候，由于不希望示波器探头的接入而改变电路本身的工作状态，因此示波器探头一定是高阻的，即输入阻抗比较大（兆欧级别）。而示波器是有一定的电压输入信号范围的，但是根据不同的测量场合又会有不同的电压测量范围，所以示波器探头一般会有不同衰减比的可选档位（1X，10X，100X）以测量不同电压范围的信号。那么最简单的信号衰减实现就是电阻分压，如下图所示：
电阻分压
图中， 为示波器探头上的电阻， 为示波器的输入电阻。一般 ，100X下为 ，10X下 ，而1X下理论上应该为 ，但实际上 ，具体原因在文章后面会加以解释。
示波器输入电容
那么按照上面介绍的电阻分压电路是不是示波器就能用了呢？不然。
大家都知道，实际中，任何电路都不是理想电路，或多或少都有寄生参数。示波器与示波器探头的接口也不例外。由于示波器接口需要同时将信号与GND连接到示波器探头上（如下图所示，一般外圈的金属是GND，可以起到与外部屏蔽的作用，内部的金属为输入信号），因此，输入的信号和GND之间就形成了电容。无论怎样改进示波器接口的设计，都无法消除示波器的输入电容的寄生参数。一般示波器的输入电容典型值为15pF，12pF都有，图中所示为12pF。
示波器输入接口
有R又有C，这不就是RC低通滤波器吗？
考虑输入电容
我们来算一算这个RC电路的截止频率。考虑10X的档位， ， ， （为方便起见，后面的讨论都基于这个参数），截止频率为
不算不知道，居然截止频率低的可怕。这样的示波器还能用？凡是高于11.8kHz的信号都被衰减到不能看了，这个示波器可以说就是垃圾。那么如何解决这个问题？减小 ，不可能，物理的限制就决定了 必然存在，而且 本身已经是一个相当小的容值了；减小 和 ?过小的电阻必然会对测量的电路造成影响。看起来是相当棘手的困难，但总归是有聪明人能够找到解决办法——补偿电容
补偿电容示意图
只要满足（ ，所以是反比关系）
就能使得在比较高的频率下，依旧能够按照正确的10：1的衰减比进行信号的传输而不发生信号的畸变。Amazing!
但是新的问题又来了，不同的示波器 不一样，即便型号一样，但是由于制造的参数不一致问题可能不同的示波器用同一个探头就不一定都能满足上面的比例关系。那岂不是要针对每一个示波器都要去单独制造特定的探头呢？怎么解决通用性问题呢？很简单，再增加一个可变电容。图中
只需要去调节探头上的可变电容的大小，并从示波器上看波形畸变情况，就可以解决这个问题。如果调节电容不够或者太多，就会出现上升斜率缓慢或者过充等现象。
调节过程中的信号畸变情况
具体调节的位置主要有两种，相当于调节 或者 ，探头上面有一个小洞，就是调节的部位。
探头补偿调节
那么我不禁想问大家，既然 可以补偿，那么 是不是没必要花那么多功夫做的非常小？不然。按照我的理解，如果 太大，相当于在测量的电路中并联了一个比较大的电容，必然会对测量的电路造成影响。这一原理和 以及 不能太小类似。
带宽问题研究
电阻分压也说了，补偿网络也弄了，可调电容也提到了，是不是示波器探头我们终于理解透彻了呢？还差最后一点！
RP3300探头参数
其中最让人费解的是，10X的档位下带宽为350MHz，性能还不错，但是1X的档位下居然只有区区8MHz，Why？
按照我刚才的介绍， 1X的档位下，示波器探头上的电阻应该为0，那么相当于就是一根导线，就不应该出现任何的信号衰减，更不要说带宽只有8MHz了，问题出在哪里？难道1X档位下的电阻不是0？
1X档位下测量探头电阻，图片来自网络，侵删
嗯？果然电阻不是0，示波器探头有表笔部分和后面的连接线部分。难道是0X档位下表笔那部分电阻是 ？我们拆开示波器探头来看
1X档位下测量表笔部分电阻，图片来自网络，侵删
几乎为0，也就是说 的电阻几乎都是后面的连接线部分导致的。
为什么连接线要设计成 ？
这个问题解释起来比较复杂，涉及到波过程的分析。简单来说就是，由于示波器探头的线比较长，因此信号在传播的过程中，不能把线路看成一个集总参数，而应该考虑分布参数模型。
而考虑这样的模型之后，就需要对其中的分布参数进行优化，最早是Tek公司来研究这个问题，并根据特征阻抗来计算出合适的电阻。Tek公司根据10X这一档位下对示波器的线的参数进行优化，这也就是我们用万用表测出来的 。
考虑 电阻后再来分析1X为什么带宽低
R2=330R
图中 ， 被短路。由于参数已经优化过了，我们仅仅将示波器探头的线看作是一个 电阻。又由于
所以
故实际到达示波器的信号为 ，近似为0.77，这也就解释了为什么1X下的带宽这么低的问题。
结语
啰里八嗦说了一大堆，不知道还有多少人看到了最后。感觉是小小的示波器探头也有很多学问，通过这次学习也受益匪浅，希望大家也有所收获，喜欢请点个赞，顺便关注一波~ |
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狗仔卡
发表于 2019-12-24 13:17:37
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