示波器基础知识

示波器探头补偿原理

2020-10-05 14:26:17 冯必正 156

Micsig 2019-11-25

文章来源:Micsig 官网微信公众号


  探头要做校准补偿大家也许都知道,但是为什么要做,底层原因是什么,也许很多人就说不上来了,今天就和大家分享一下,希望可以帮助大家更好的理解示波器探头。这一切,要从了解探头的补偿原理开始:


示波器输入电阻

  示波器探头无法将电路信号送入示波器,咋一想,似乎直接连起来就能用了吧。

  但是我们使用万用表测量示波器探头两端的电阻,居然有将近9M欧姆这么多,如下图所示:

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万用表测量探头X10档两端电阻

  而我们来看示波器,细心的朋友们会发现在示波器的BNC输入接口旁边一般都标记有1MΩ的对地输入电阻参数。很多人可能不理解这个是代表了什么。

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STO1104C示波器BNC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被测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范围的,但是不同的测量场合又会有不同的电压,所以示波器探头会有不同的衰减比(1X,10X,100X……)。那么最简单的信号衰减实现就是电阻分压,如下图所示:

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  图中,R1为示波器探头上的电阻, Rin为示波器的输入电阻。一般 Rin = 1MΩ ,100X下为 R1 = 99 MΩ ,10X下 R1 = 9MΩ ,而1X下理论上应该为 0Ω ,但实际上R1约为几百欧,一般在300欧以内

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万用表测量探头X1档两端电阻


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?不是的。
  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,14pF,12pF的都有,图中所示为14pF。

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  有R又有C,这不就是RC低通滤波器吗?

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  我们算下这个RC电路的截止频率。考虑10X的档位,R1 = 9MΩ,Rin = 1MΩ,Cin = 14pF , 截止频率为

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  这样一来,凡是高于12.64kHz的信号都被衰减到不能看了。那么如何解决这个问题?减小Cin ,不可能,物理的限制就决定了 Cin 必然存在,而且14pF本身已经是一个相当小的容值了;减小 R1和 Rin过小的电阻必然会对测量的电路造成影响。似乎没有其他的办法了。但总归是有聪明人能够找到解决办法:补偿电容

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  这样一来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。示波器一般都会输出一个1KHz,5V(或以下)的方波信号,该信号用作探头补偿校准。该信号常用一个方波符号加一个接地符号标示。我们可以将这个信号作为信号源。启动示波器,按下图所示,把探头的BNC接至通道1,另一端接到方波信号输出端口。

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  当出现以下两种情况时,说明探头补偿不正确,需要使用“调节棒”对探头上的补偿电容进行调节。

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补偿过度的波形

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补偿不足的波形

  用调节棒拧动探头螺丝孔内的螺丝,调节补偿电容,以得到正确波形。

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  也有的探头将其设置在探测头一端,如下图:


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  所以,当示波器更换新探头或探头长时间未使用时,我们应该对探头进行补偿校准。

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补偿正确的波形