衰減示波器探頭

為了最大限度地減少被測(cè)設(shè)備上的電容負(fù)載，大多數(shù)探頭都使用 x10(也稱(chēng)為 10:1)衰減器。通?？梢詫?duì)此進(jìn)行調(diào)整或補(bǔ)償，以改善頻率響應(yīng)。以下注釋使用兩個(gè)具有不同調(diào)整布置的示例探頭解釋了調(diào)整技術(shù)。這些說(shuō)明可應(yīng)用于任何可調(diào)節(jié)無(wú)源探頭，盡管可能不需要此處解釋的所有調(diào)整。

有兩種類(lèi)型的補(bǔ)償：低頻(LF)和高頻(HF)。有些探頭僅具有 LF 補(bǔ)償，而其他探頭則具有兩種類(lèi)型。 Pico 示波器探頭在出廠時(shí)已進(jìn)行高頻補(bǔ)償，無(wú)需調(diào)整，但如果您希望在 PicoScope 示波器上使用不同的探頭，則可能需要調(diào)整其高頻補(bǔ)償。

圖 1 – 顯示 LF 微調(diào)器的 TA131 探頭

圖 2：顯示 LF 和 HF 微調(diào)器的另一個(gè)探頭

低頻補(bǔ)償

低頻補(bǔ)償 (LFC) 涉及在 kHz 區(qū)域調(diào)整 x10 探頭的頻率響應(yīng)。 LFC 必須在高頻補(bǔ)償(HFC)之前進(jìn)行。

圖 3：示波器探頭模型

圖 3 顯示了典型探頭的模型。 Cp 是探頭尖端本身的雜散電容。 R1 是一個(gè)串聯(lián) 9 MΩ 電阻，用于將電纜電容和示波器輸入與被測(cè)設(shè)備隔離。結(jié)果是形成了具有 1 MΩ 示波器輸入阻抗 Rscope 的 10:1 衰減器。

Ccomp1 是一個(gè)可變電容器，構(gòu)成探頭的 LFC 調(diào)諧部分。 Cp 用于調(diào)整 R1 和 Ccomp1 的時(shí)間常數(shù)并將其與 Cscope、Ccable 和 Rscope 設(shè)置的時(shí)間常數(shù)相匹配。實(shí)際上，我們?cè)谥绷鲿r(shí)有一個(gè)電阻分壓器，在高頻時(shí)有一個(gè)電容分壓器(高于幾百kHz)。 Ccomp1 代表探頭頂部的微調(diào)器，靠近衰減開(kāi)關(guān)。

Ccomp2 和 Rcomp 代表探頭的高頻補(bǔ)償 (HFC) 部分，將在下一節(jié)中討論。

補(bǔ)償探頭 LFC 部分的最簡(jiǎn)單方法是輸入邊緣相對(duì)較慢但重要的是 不會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖的方波。

圖 4 顯示了 LFC 正確時(shí)波形的樣子。太多，探頭的高頻 (HF) 增益將高于其低頻 (LF) 增益。如果 LFC 太少，高頻增益將低于低頻增益。

圖 4：低頻補(bǔ)償

高頻補(bǔ)償

有兩個(gè)可變因素影響探頭的高頻響應(yīng)：電纜阻抗和示波器的輸入阻抗。示波器輸入通常不是完美的電容，還具有一些串聯(lián)電感和非線性。

圖 5 顯示了示波器輸入中使用的陶瓷片式電容器的典型特性。阻抗會(huì)先下降，然后再開(kāi)始隨頻率增加。這是由于電容器的串聯(lián)電感造成的。最小阻抗點(diǎn)稱(chēng)為諧振頻率，代表感性阻抗和容性阻抗相等的頻率。

圖5：陶瓷電容器的特性

該圖讓我們深入了解，在甚高頻 (VHF) 下，示波器的輸入并不像電阻器與電容器并聯(lián)那么簡(jiǎn)單，而且 PCB 的非線性特性使情況變得更加復(fù)雜。高頻示波器的輸入阻抗由 1 MΩ 的接地電阻和一些雜散電容和電感組成。其中每一個(gè)都有自己的串聯(lián)和并聯(lián)電感和電容元件，并且這些元件在 VHF 下通常具有非線性特性，使事情變得更加復(fù)雜。

為了補(bǔ)償非線性，高頻探頭傾向于在 BNC 處使用一個(gè)非常小的電容器和一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)分流示波器的輸入。這有助于將任何非線性移至探頭預(yù)期范圍之外的較高頻率區(qū)域，而不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的過(guò)沖。

Rcomp 和 Ccomp2 代表探頭的 HF 調(diào)諧組件。該電路通常位于 BNC 連接器右側(cè)屏蔽盒中的 PCB 上，以最大限度地減少電纜和噪聲拾取的影響。典型的探頭有兩個(gè)像這樣的 RC 網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有自己的可調(diào)電阻。一個(gè)控制中頻段，另一個(gè)控制高頻段。兩者都應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，直到獲得正確的響應(yīng)。

為了調(diào)諧探頭的 HFC，必須向探頭輸入邊緣非常快的方波。波形必須具有快速邊沿(上升時(shí)間比探頭短 3 倍)且過(guò)沖非常小或沒(méi)有過(guò)沖。在 Pico，我們使用過(guò)沖小于 3% 且上升時(shí)間非常快的信號(hào)發(fā)生器。還應(yīng)考慮與脈沖發(fā)生器一起使用的 50 Ω 端接器的 VSWR，因?yàn)榈唾|(zhì)量端接器可能會(huì)導(dǎo)致額外的過(guò)沖。

調(diào)諧探頭時(shí)，應(yīng)首先觀察示波器的脈沖響應(yīng)，以便將探頭響應(yīng)與直接連接的示波器輸入的響應(yīng)相匹配。圖 6 顯示了未連接探頭時(shí) PicoScope 3206B 200 MHz 示波器的脈沖響應(yīng)。輸入脈沖的上升時(shí)間為 250 ps。

注意：必須使用 200 mV 量程(帶 x10 探頭的 PicoScope 中的 2 V 量程)來(lái)調(diào)諧探頭，因?yàn)樗梢蕴峁┳罴衙}沖響應(yīng)。

圖 6：不帶探頭的 PicoScope 3206B 脈沖響應(yīng)

輕微的過(guò)沖和振鈴發(fā)生在大約 1 GHz 處。這主要是由于通向第一個(gè)放大器的 PCB 走線的雜散電感，以及放大器本身引起的一些振鈴。

圖 7 顯示了補(bǔ)償過(guò)度和補(bǔ)償不足的脈沖響應(yīng)的外觀。目的是使響應(yīng)盡可能平坦。調(diào)諧探頭時(shí)應(yīng)注意上升時(shí)間。對(duì)于帶有 TA131 探頭的 PicoScope 3206B，上升時(shí)間約為 1.4 ns。在圖 7 中，欠補(bǔ)償探頭的上升時(shí)間約為 10 ns，帶寬為 40 MHz。過(guò)補(bǔ)償探頭的上升時(shí)間約為 1.2 ns，但波形遠(yuǎn)非平坦，在 100 MHz 至 300 MHz 區(qū)域內(nèi)增益不斷增加。

圖 7：第二個(gè)探頭的過(guò)補(bǔ)償和欠補(bǔ)償脈沖響應(yīng)

圖 8 顯示了完美補(bǔ)償?shù)奶筋^。仔細(xì)檢查表明，振鈴和過(guò)沖看起來(lái)與我們?cè)趫D 6 中看到的直接連接的脈沖發(fā)生器類(lèi)似。輕微的駝峰是可取的，因?yàn)樗鼮樘筋^和示波器組合提供了比單獨(dú)示波器更大的帶寬，而不會(huì)產(chǎn)生大量過(guò)沖。

圖8：完美補(bǔ)償

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審核編輯 黃宇