今天，我們將在實驗室演示示波器探頭負載實驗的實際操作。當示波器探頭連接到被測設(shè)備時，探頭和示波器會成為電路的一部分，會對測量精度產(chǎn)生負面影響。

什么是探頭負載?

當示波器探頭連接到在線測試點時，探頭本身就成為被測電路的一部分，會影響測量結(jié)果。這通常被稱為“探針負載”。

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

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)

兩個標準10:1無源示波器探頭

面包板

兩個10kΩ電阻

補償探針

在創(chuàng)建電路和進行實驗之前，對示波器探頭進行適當?shù)难a償是非常重要的，否則測量結(jié)果會不準確。為了補償探頭，在示波器的通道1輸入和示波器前面板上的探頭補償測試端子之間連接一個探頭。將第二個探針連接在示波器通道2輸入和同一探針補償測試端子之間。不要忘記將兩個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，有些高端示波器會檢測10:1探頭是否接通，然后自動為你設(shè)置探頭衰減系數(shù)。

然后，設(shè)置每個通道的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或兩個周期的探頭補償信號。探頭補償信號通常是1 kHz方波，因此合適的sec/div設(shè)置應為200 μsec/div。

如圖1所示，用一把小平頭螺絲刀調(diào)節(jié)每個探頭的可調(diào)補償電容，使兩個波形都有一個“平坦”響應。這個可調(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)整每個無源探頭的探頭補償

圖2: 使用示波器的 1 kHz 探頭補償信號對10:1 無源探頭進行補償。

圖3: 補償不正確的探頭。

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

探頭補償包括什么?我們稍后會發(fā)現(xiàn)。

創(chuàng)建實驗、預測結(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10kω電阻創(chuàng)建了一個2電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。注意:如果你沒有面包板，請將兩個電阻焊接在一起，而不是簡單地用一根長電纜和一個夾子連接在一起。長電纜會給這個實驗增加電感，這是我們想要避免的。在啟動信號發(fā)生器并通過示波器進行任何測量之前，請回答以下問題:

現(xiàn)在讓我們測試這個電路，并與預測結(jié)果進行比較。

函數(shù)發(fā)生器的設(shè)置和連接:

1.將輸出負載阻抗設(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)電機的輸出連接到R1。

7.將發(fā)電機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.使用手形光標或自動執(zhí)行測量，或者簡單地計算網(wǎng)格數(shù)并乘以垂直比例因子(1.0V/div)，即可測量Vin和Vout(峰峰值)。Etup選項。

4.確保示波器兩個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(典型的默認設(shè)置)。

9.使用手形光標或自動執(zhí)行測量，或者簡單地計算網(wǎng)格數(shù)并乘以垂直比例因子(1.0V/div)，即可測量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:使用示波器的兩個通道測量10 kHz時的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基設(shè)置更改為20.0 ns/div，以便看到這個更快的輸入信號。再次測量Vin和Vout。此時，示波器將顯示類似于圖6的圖像。

圖6:使用示波器的兩個通道在10MHz下測量Vin和Vout。

了解探針負載

由于電容探頭和示波器的負載，在10 MHz時，信號幅度在通過R2時會減小。理想情況下，探頭具有無窮大的阻抗，不會影響測量結(jié)果。但無論是使用頻譜分析儀、功率計、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設(shè)備上，探頭和儀器就會成為被測電路的一部分，影響測量精度。測試高頻信號時尤其如此。

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

圖7:示波器探頭型號和輸入阻抗特性。

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

圖8: 10:1被動探頭負載模型。

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

當輸入頻率設(shè)為10 MHz時，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。我們需要測量電路的輸出電壓，但是只要把示波器探頭接入電路，就會改變輸出特性。如何解決這個問題?

首先，在本實驗中使用10kω電阻來說明一點。也就是說，在高頻下，探頭的容抗會“掩蓋”負載電阻(R2)的阻抗。但事實上，大多數(shù)高頻設(shè)計都包含低阻抗器件/元件。即使在低阻抗設(shè)計中，當頻率足夠高時(例如幾百MHz或GHz信號)，探頭仍然會對被測電路產(chǎn)生影響。此外，目前大多數(shù)個人電腦都工作在幾GHz的范圍內(nèi)。

這種應用通常需要特殊的高頻“主動”探頭。無源探頭(如本實驗中使用的探頭)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)。這說明它們在高頻下對電路的影響會很小，但理論上不會沒有影響。然而，這些探頭的價格也遠遠超過標準的無源探頭，這些探頭通常配有示波器。主動探測幾乎總是一個“昂貴”的選擇。

了解探頭負載

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顯示了當示波器默認1mω輸入選項用于連接示波器時，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)計中未包含)和有意設(shè)計的補償電容網(wǎng)絡(luò)，但我們將暫時忽略這些電容成分，只分析這種探頭和示波器系統(tǒng)在低頻時的理想信號特性。

從電氣模型中去掉所有容性元件后，只剩下串聯(lián)的一個9mω探針電阻和一個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，所有測量和垂直比例因子都應乘以10，以表示探頭的測量結(jié)果。通過手動輸入探頭的衰減系數(shù)或自動檢測，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，您需要自己進行數(shù)學計算，以便參考探頭的測量結(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償系統(tǒng)中固有的電容分量，那么系統(tǒng)在動態(tài)信號條件下(非DC)的電抗可能會改變檢測系統(tǒng)的整體動態(tài)衰減，使其偏離預定的10:1比例。

探針探針電容(Ctip)被添加/有意添加到可調(diào)補償電容(Ccomp)中，以便構(gòu)建一個容抗衰減網(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，不僅低頻信號會衰減(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，高頻信號也會衰減(衰減系數(shù)為10)。

現(xiàn)在，讓我們利用以下條件來計算所需的補償電容(Ccomp):

在這個示波器探頭負載的實際實驗室實驗中，希望你能明白，當示波器探頭連接到被測設(shè)備時，探頭和示波器會成為電路的一部分，會對測量精度產(chǎn)生負面影響，尤其是在檢測高頻信號時。在很多入門級的教學實驗中，你可能不需要考慮這個問題。但是，在一些高級和研究生水平的電氣工程教學和實驗中(可能側(cè)重于高頻RF應用或高速數(shù)字應用)，有時需要注意探針負載。記住，數(shù)字信號具有遠超過信號時鐘速率的高頻諧波。根據(jù)“經(jīng)驗”，包括示波器在內(nèi)的檢測系統(tǒng)的容抗應是被測系統(tǒng)等效源阻抗Thévenin的10倍或以上。對于本文列出的實驗(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償機制。雖然理解探頭補償?shù)脑砜赡懿⒉恢匾?，但是對探頭進行適當?shù)难a償是非常重要的，即使是在很多低頻的入門級實驗室實驗中。在使用示波器執(zhí)行任何測量之前，最好將探頭連接到示波器前面板上的探頭補償信號，并確保它已被正確調(diào)整。

以上就是關(guān)于示波器探頭負載實驗的相關(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