示波器探頭的負(fù)載實(shí)驗(yàn)

今天，我們將在實(shí)驗(yàn)室演示示波器探頭負(fù)載實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作。當(dāng)示波器探頭連接到被測(cè)設(shè)備時(shí)，探頭和示波器會(huì)成為電路的一部分，會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生負(fù)面影響。

什么是探頭負(fù)載?

當(dāng)示波器探頭連接到在線測(cè)試點(diǎn)時(shí)，探頭本身就成為被測(cè)電路的一部分，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。這通常被稱為“探針負(fù)載”。

今天，本實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)簡單的2電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)，從經(jīng)驗(yàn)的角度展示與頻率相關(guān)的探頭阻抗如何顯著影響測(cè)量精度。

所需的設(shè)備和部件

雙通道示波器(≥50MHz帶寬)

函數(shù)發(fā)生器(≥10MHz)

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)10:1無源示波器探頭

面包板

兩個(gè)10kΩ電阻

補(bǔ)償探針

在創(chuàng)建電路和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)示波器探頭進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償是非常重要的，否則測(cè)量結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確。為了補(bǔ)償探頭，在示波器的通道1輸入和示波器前面板上的探頭補(bǔ)償測(cè)試端子之間連接一個(gè)探頭。將第二個(gè)探針連接在示波器通道2輸入和同一探針補(bǔ)償測(cè)試端子之間。不要忘記將兩個(gè)探頭的接地線連接到示波器前面板的接地端子上。之后，將兩個(gè)輸入通道的衰減系數(shù)設(shè)置為10:1 (10: 1)。注意，有些高端示波器會(huì)檢測(cè)10:1探頭是否接通，然后自動(dòng)為你設(shè)置探頭衰減系數(shù)。

然后，設(shè)置每個(gè)通道的V/div設(shè)置和sec/div設(shè)置，以便在示波器顯示器上顯示一個(gè)或兩個(gè)周期的探頭補(bǔ)償信號(hào)。探頭補(bǔ)償信號(hào)通常是1 kHz方波，因此合適的sec/div設(shè)置應(yīng)為200 μsec/div。

如圖1所示，用一把小平頭螺絲刀調(diào)節(jié)每個(gè)探頭的可調(diào)補(bǔ)償電容，使兩個(gè)波形都有一個(gè)“平坦”響應(yīng)。這個(gè)可調(diào)電容器靠近探頭或探頭的一部分，靠近它所插入的示波器的BNC輸入端。

圖1: 調(diào)整每個(gè)無源探頭的探頭補(bǔ)償

圖2: 使用示波器的 1 kHz 探頭補(bǔ)償信號(hào)對(duì)10:1 無源探頭進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3: 補(bǔ)償不正確的探頭。

圖2顯示了正常通道1和通道2的波形，前提是每個(gè)探頭的探頭補(bǔ)償經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整。圖3顯示了通道1探針過度補(bǔ)償(黃色波形)和通道2探針補(bǔ)償不足(綠色波形)的示例。

探頭補(bǔ)償包括什么?我們稍后會(huì)發(fā)現(xiàn)。

創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)、預(yù)測(cè)結(jié)果和衡量結(jié)果。

圖4: 電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。

如圖4的原理圖所示，使用面包板和兩個(gè)10kω電阻創(chuàng)建了一個(gè)2電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。注意:如果你沒有面包板，請(qǐng)將兩個(gè)電阻焊接在一起，而不是簡單地用一根長電纜和一個(gè)夾子連接在一起。長電纜會(huì)給這個(gè)實(shí)驗(yàn)增加電感，這是我們想要避免的。在啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器并通過示波器進(jìn)行任何測(cè)量之前，請(qǐng)回答以下問題:

現(xiàn)在讓我們測(cè)試這個(gè)電路，并與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

函數(shù)發(fā)生器的設(shè)置和連接:

1.將輸出負(fù)載阻抗設(shè)置為高Z(而不是50ω)

2.將波形設(shè)置為正弦波

3.將振幅設(shè)置為5Vpp

4.將偏置設(shè)置為0.0V

5.將頻率設(shè)置為10kHz。

6.將發(fā)電機(jī)的輸出連接到R1。

7.將發(fā)電機(jī)接地端子連接到電路接地上。

示波器設(shè)置和連接:

1.將通道1探針連接在Vin和接地端子之間。

2.將通道2探針連接在Vout和接地端之間。

3.使用手形光標(biāo)或自動(dòng)執(zhí)行測(cè)量，或者簡單地計(jì)算網(wǎng)格數(shù)并乘以垂直比例因子(1.0V/div)，即可測(cè)量Vin和Vout(峰峰值)。Etup選項(xiàng)。

4.確保示波器兩個(gè)通道的探頭衰減系數(shù)仍然設(shè)置為10:1。

5.將通道1和通道2的垂直刻度設(shè)置為1.0V/格。

6.使用垂直位置/偏移控制鍵使通道1和通道2波形位于屏幕中央。

7.將水平刻度(時(shí)基)設(shè)置為20.0μs/格。

8.將通道1的上升沿觸發(fā)設(shè)置為大約0.0伏(典型的默認(rèn)設(shè)置)。

9.使用手形光標(biāo)或自動(dòng)執(zhí)行測(cè)量，或者簡單地計(jì)算網(wǎng)格數(shù)并乘以垂直比例因子(1.0V/div)，即可測(cè)量Vin和Vout(峰峰值)。

現(xiàn)在，示波器將顯示類似于圖5的圖像。

圖5:使用示波器的兩個(gè)通道測(cè)量10 kHz時(shí)的V in和V out。

現(xiàn)在，將函數(shù)發(fā)生器的頻率設(shè)置更改為10 MHz。然后將示波器的水平時(shí)基設(shè)置更改為20.0 ns/div，以便看到這個(gè)更快的輸入信號(hào)。再次測(cè)量Vin和Vout。此時(shí)，示波器將顯示類似于圖6的圖像。

圖6:使用示波器的兩個(gè)通道在10MHz下測(cè)量Vin和Vout。

了解探針負(fù)載

由于電容探頭和示波器的負(fù)載，在10 MHz時(shí)，信號(hào)幅度在通過R2時(shí)會(huì)減小。理想情況下，探頭具有無窮大的阻抗，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。但無論是使用頻譜分析儀、功率計(jì)、數(shù)字萬用表、網(wǎng)絡(luò)分析儀還是示波器，只要將探頭連接到被測(cè)設(shè)備上，探頭和儀器就會(huì)成為被測(cè)電路的一部分，影響測(cè)量精度。測(cè)試高頻信號(hào)時(shí)尤其如此。

現(xiàn)在，讓我們仔細(xì)看看這個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用的探頭——靠近示波器輸入端的BNC連接。你可以看到這個(gè)探頭相關(guān)的廠商名稱和型號(hào)，以及輸入阻抗的技術(shù)指標(biāo)/特性。如圖7所示，可能會(huì)顯示“10mω/15 pF”。

圖7:示波器探頭型號(hào)和輸入阻抗特性。

這意味著當(dāng)探頭連接到示波器時(shí)，探頭的等效輸入阻抗為10MΩ和15pF。圖8顯示了等效探頭/示波器負(fù)載模型。它與R2并聯(lián)(見圖4)。您可以假設(shè)10mω電阻遠(yuǎn)大于10kω電阻(R2)，甚至可以忽略R2。您也可以假設(shè)15pF電容在低頻時(shí)不會(huì)影響電路。但是在10MHz下，這個(gè)電容的電抗是多少?

圖8: 10:1被動(dòng)探頭負(fù)載模型。

現(xiàn)在，計(jì)算包括R2(與Xc并聯(lián))在內(nèi)的負(fù)載阻抗。記住，可以忽略10MΩ電阻。

當(dāng)輸入頻率設(shè)為10 MHz時(shí)，近似的輸出電壓就確定了——現(xiàn)在，基于分壓器的網(wǎng)絡(luò)包括與ZLoad串聯(lián)的R1。

所以，我們現(xiàn)在似乎處于兩難的境地。我們需要測(cè)量電路的輸出電壓，但是只要把示波器探頭接入電路，就會(huì)改變輸出特性。如何解決這個(gè)問題?

首先，在本實(shí)驗(yàn)中使用10kω電阻來說明一點(diǎn)。也就是說，在高頻下，探頭的容抗會(huì)“掩蓋”負(fù)載電阻(R2)的阻抗。但事實(shí)上，大多數(shù)高頻設(shè)計(jì)都包含低阻抗器件/元件。即使在低阻抗設(shè)計(jì)中，當(dāng)頻率足夠高時(shí)(例如幾百M(fèi)Hz或GHz信號(hào))，探頭仍然會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生影響。此外，目前大多數(shù)個(gè)人電腦都工作在幾GHz的范圍內(nèi)。

這種應(yīng)用通常需要特殊的高頻“主動(dòng)”探頭。無源探頭(如本實(shí)驗(yàn)中使用的探頭)僅包括“無源”元件、電阻和電容。高頻探頭通常包括“有源”元件，如晶體管和放大器，這些探頭需要電源才能工作。有源探針的輸入電容在亞微米范圍內(nèi)。這說明它們?cè)诟哳l下對(duì)電路的影響會(huì)很小，但理論上不會(huì)沒有影響。然而，這些探頭的價(jià)格也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)的無源探頭，這些探頭通常配有示波器。主動(dòng)探測(cè)幾乎總是一個(gè)“昂貴”的選擇。

了解探頭負(fù)載

圖 9: 無源 10:1 探頭連接到示波器 1 MΩ 輸入阻抗的簡化模型。

圖9顯示了當(dāng)示波器默認(rèn)1mω輸入選項(xiàng)用于連接示波器時(shí)，有關(guān)10:1無源探頭電氣模型的更多信息(但更簡單)。雖然無源探頭和示波器的電氣模型中包含了固有/寄生電容(設(shè)計(jì)中未包含)和有意設(shè)計(jì)的補(bǔ)償電容網(wǎng)絡(luò)，但我們將暫時(shí)忽略這些電容成分，只分析這種探頭和示波器系統(tǒng)在低頻時(shí)的理想信號(hào)特性。

從電氣模型中去掉所有容性元件后，只剩下串聯(lián)的一個(gè)9mω探針電阻和一個(gè)1mω示波器輸入阻抗。探頭的凈輸入電阻為10mω，與之前所示的探頭負(fù)載模型一致(圖8)。根據(jù)歐姆定律，可以發(fā)現(xiàn)示波器BNC輸入端接收到的電壓等于探頭電壓的1/10:

這就是為什么這種探針被稱為10: 1(讀作“10:1”)探針。一旦示波器知道10:1探頭連接到其輸入端，所有測(cè)量和垂直比例因子都應(yīng)乘以10，以表示探頭的測(cè)量結(jié)果。通過手動(dòng)輸入探頭的衰減系數(shù)或自動(dòng)檢測(cè)，示波器“知道”它配備了10:1探頭。如果您使用的是沒有探頭衰減系數(shù)的老式模擬示波器，您需要自己進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，以便參考探頭的測(cè)量結(jié)果。

所有示波器探頭和示波器輸入都有固有/寄生電容，包括探頭電纜電容。

(Ccable)和示波器輸入電容(Cscope)?！肮逃?寄生”是指電模型的這些元件不是有意添加的，而是客觀存在于實(shí)際的電子世界中。不同的示波器和探頭具有不同的固有/寄生電容。如果不專門增加其他電容分量來補(bǔ)償系統(tǒng)中固有的電容分量，那么系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)信號(hào)條件下(非DC)的電抗可能會(huì)改變檢測(cè)系統(tǒng)的整體動(dòng)態(tài)衰減，使其偏離預(yù)定的10:1比例。

探針探針電容(Ctip)被添加/有意添加到可調(diào)補(bǔ)償電容(Ccomp)中，以便構(gòu)建一個(gè)容抗衰減網(wǎng)絡(luò)來匹配10:1電阻衰減。換句話說，Ctip的電抗必須正好是Ccomp+Ccable+Cscope并聯(lián)組成的電抗的9倍。如果是這樣的話，在9mω探針電阻(Rtip)和串聯(lián)1mω示波器輸入電阻(Rscope)的基礎(chǔ)上，不僅低頻信號(hào)會(huì)衰減(衰減系數(shù)為10)，在類似10:1容抗分壓網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，高頻信號(hào)也會(huì)衰減(衰減系數(shù)為10)。

現(xiàn)在，讓我們利用以下條件來計(jì)算所需的補(bǔ)償電容(Ccomp):

在這個(gè)示波器探頭負(fù)載的實(shí)際實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，希望你能明白，當(dāng)示波器探頭連接到被測(cè)設(shè)備時(shí)，探頭和示波器會(huì)成為電路的一部分，會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其是在檢測(cè)高頻信號(hào)時(shí)。在很多入門級(jí)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，你可能不需要考慮這個(gè)問題。但是，在一些高級(jí)和研究生水平的電氣工程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中(可能側(cè)重于高頻RF應(yīng)用或高速數(shù)字應(yīng)用)，有時(shí)需要注意探針負(fù)載。記住，數(shù)字信號(hào)具有遠(yuǎn)超過信號(hào)時(shí)鐘速率的高頻諧波。根據(jù)“經(jīng)驗(yàn)”，包括示波器在內(nèi)的檢測(cè)系統(tǒng)的容抗應(yīng)是被測(cè)系統(tǒng)等效源阻抗Thévenin的10倍或以上。對(duì)于本文列出的實(shí)驗(yàn)(圖4)，Thévenin的等效源阻抗為5kω。

你還需要了解10:1無源示波器探頭的工作原理和探頭補(bǔ)償機(jī)制。雖然理解探頭補(bǔ)償?shù)脑砜赡懿⒉恢匾?，但是?duì)探頭進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償是非常重要的，即使是在很多低頻的入門級(jí)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中。在使用示波器執(zhí)行任何測(cè)量之前，最好將探頭連接到示波器前面板上的探頭補(bǔ)償信號(hào)，并確保它已被正確調(diào)整。

以上就是關(guān)于示波器探頭負(fù)載實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容，如您使用中還有其他問題，歡迎登陸西安普科電子科技。

審核編輯：湯梓紅