如何调谐（补偿）X10 示波器探头

衰减示波器探头

为了最大限度地减少被测设备上的电容负载，大多数探头都使用 x10(也称为 10:1)衰减器。通常可以对此进行调整或补偿，以改善频率响应。以下注释使用两个具有不同调整布置的示例探头解释了调整技术。这些说明可应用于任何可调节无源探头，尽管可能不需要此处解释的所有调整。

有两种类型的补偿：低频(LF)和高频(HF)。有些探头仅具有 LF 补偿，而其他探头则具有两种类型。 Pico 示波器探头在出厂时已进行高频补偿，无需调整，但如果您希望在 PicoScope 示波器上使用不同的探头，则可能需要调整其高频补偿。

图 1 – 显示 LF 微调器的 TA131 探头

图 2：显示 LF 和 HF 微调器的另一个探头

低频补偿

低频补偿 (LFC) 涉及在 kHz 区域调整 x10 探头的频率响应。 LFC 必须在高频补偿(HFC)之前进行。

图 3：示波器探头模型

图 3 显示了典型探头的模型。 Cp 是探头尖端本身的杂散电容。 R1 是一个串联 9 MΩ 电阻，用于将电缆电容和示波器输入与被测设备隔离。结果是形成了具有 1 MΩ 示波器输入阻抗 Rscope 的 10:1 衰减器。

Ccomp1 是一个可变电容器，构成探头的 LFC 调谐部分。 Cp 用于调整 R1 和 Ccomp1 的时间常数并将其与 Cscope、Ccable 和 Rscope 设置的时间常数相匹配。实际上，我们在直流时有一个电阻分压器，在高频时有一个电容分压器(高于几百kHz)。 Ccomp1 代表探头顶部的微调器，靠近衰减开关。

Ccomp2 和 Rcomp 代表探头的高频补偿 (HFC) 部分，将在下一节中讨论。

补偿探头 LFC 部分的最简单方法是输入边缘相对较慢但重要的是 不会出现过冲的方波。

图 4 显示了 LFC 正确时波形的样子。太多，探头的高频 (HF) 增益将高于其低频 (LF) 增益。如果 LFC 太少，高频增益将低于低频增益。

图 4：低频补偿

高频补偿

有两个可变因素影响探头的高频响应：电缆阻抗和示波器的输入阻抗。示波器输入通常不是完美的电容，还具有一些串联电感和非线性。

图 5 显示了示波器输入中使用的陶瓷片式电容器的典型特性。阻抗会先下降，然后再开始随频率增加。这是由于电容器的串联电感造成的。最小阻抗点称为谐振频率，代表感性阻抗和容性阻抗相等的频率。

图5：陶瓷电容器的特性

该图让我们深入了解，在甚高频 (VHF) 下，示波器的输入并不像电阻器与电容器并联那么简单，而且 PCB 的非线性特性使情况变得更加复杂。高频示波器的输入阻抗由 1 MΩ 的接地电阻和一些杂散电容和电感组成。其中每一个都有自己的串联和并联电感和电容元件，并且这些元件在 VHF 下通常具有非线性特性，使事情变得更加复杂。

为了补偿非线性，高频探头倾向于在 BNC 处使用一个非常小的电容器和一个串联电阻来分流示波器的输入。这有助于将任何非线性移至探头预期范围之外的较高频率区域，而不会导致严重的过冲。

Rcomp 和 Ccomp2 代表探头的 HF 调谐组件。该电路通常位于 BNC 连接器右侧屏蔽盒中的 PCB 上，以最大限度地减少电缆和噪声拾取的影响。典型的探头有两个像这样的 RC 网络，每个网络都有自己的可调电阻。一个控制中频段，另一个控制高频段。两者都应进行调整，直到获得正确的响应。

为了调谐探头的 HFC，必须向探头输入边缘非常快的方波。波形必须具有快速边沿(上升时间比探头短 3 倍)且过冲非常小或没有过冲。在 Pico，我们使用过冲小于 3% 且上升时间非常快的信号发生器。还应考虑与脉冲发生器一起使用的 50 Ω 端接器的 VSWR，因为低质量端接器可能会导致额外的过冲。

调谐探头时，应首先观察示波器的脉冲响应，以便将探头响应与直接连接的示波器输入的响应相匹配。图 6 显示了未连接探头时 PicoScope 3206B 200 MHz 示波器的脉冲响应。输入脉冲的上升时间为 250 ps。

注意：必须使用 200 mV 量程(带 x10 探头的 PicoScope 中的 2 V 量程)来调谐探头，因为它可以提供最佳脉冲响应。

图 6：不带探头的 PicoScope 3206B 脉冲响应

轻微的过冲和振铃发生在大约 1 GHz 处。这主要是由于通向第一个放大器的 PCB 走线的杂散电感，以及放大器本身引起的一些振铃。

图 7 显示了补偿过度和补偿不足的脉冲响应的外观。目的是使响应尽可能平坦。调谐探头时应注意上升时间。对于带有 TA131 探头的 PicoScope 3206B，上升时间约为 1.4 ns。在图 7 中，欠补偿探头的上升时间约为 10 ns，带宽为 40 MHz。过补偿探头的上升时间约为 1.2 ns，但波形远非平坦，在 100 MHz 至 300 MHz 区域内增益不断增加。

图 7：第二个探头的过补偿和欠补偿脉冲响应

图 8 显示了完美补偿的探头。仔细检查表明，振铃和过冲看起来与我们在图 6 中看到的直接连接的脉冲发生器类似。轻微的驼峰是可取的，因为它为探头和示波器组合提供了比单独示波器更大的带宽，而不会产生大量过冲。

图8：完美补偿

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审核编辑 黄宇