作為一名專業(yè)的硬件設(shè)計(jì)及測試工程師，我們每天都在使用各種不同的數(shù)字示波器進(jìn)行相關(guān)電氣信號(hào)量的量測。 與這些示波器相配的探頭種類也非常多，包括無源探頭(包括高壓探頭，傳輸線探頭)、有源探頭（包括有源單端探頭、有源差分探頭等），電流探頭、光探頭等。每種探頭各有其優(yōu)缺點(diǎn)，因而各有其適用的場合。其中，有源探頭因具有帶寬高，輸入電容小，地環(huán)路小等優(yōu)點(diǎn)從而被廣泛使用在高速數(shù)字量測領(lǐng)域，但有源探頭的價(jià)位高，動(dòng)態(tài)范圍小，靜電敏感，校準(zhǔn)麻煩，因此，每個(gè)工程師使用示波器的入門級(jí)探頭通常是無源探頭。最常見的500Mhz的無源電壓探頭適用于一般的電路測量和快速診斷，可以滿足大多數(shù)的低速數(shù)字信號(hào)、TV、電源和其它的一些典型的示波器應(yīng)用。 本文我們將集中討論無源電壓探頭的模型和參數(shù)設(shè)定以及使用校準(zhǔn)原理。   

  一、10倍無源探頭的模型以及輸入負(fù)載設(shè)定 

     
       圖1. 探頭原理圖 
      圖1是工程師常用的10倍無源電壓探頭的原理圖，其中，Rp (9 MΩ)和Cp位于探頭尖端內(nèi)，Rp為探頭輸入阻抗, Cp為探頭輸入電容, R1 (1 MΩ)表示示波器的輸入阻抗，C1表示示波器的輸入電容和同軸電纜等效電容以及探頭補(bǔ)償箱電容的組合值。為了精確地測量，兩個(gè)RC時(shí)間常量（RpCp和R1C1）必須相等；任何不平衡都會(huì)帶來測量波形的失真,從來引起使一些參數(shù)如上升時(shí)間、幅度的測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，在測量前需要校準(zhǔn)示波器的探頭的工作以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 從探頭的信號(hào)模型我們可以分析， 對(duì)于信號(hào)的DC量測，輸入容性Cp和C1等效為開路。信號(hào)通過Rp和R1進(jìn)行分壓，最終示波器的輸入為：            Vout=[R1/Rp+R1]*Vin=1/10* Vin  
     示波器輸入信號(hào)衰減為待測輸入信號(hào)的1/10。對(duì)于較高頻率的輸入信號(hào),容抗對(duì)于信號(hào)的影響會(huì)大于阻抗。例如，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的1MΩ~10pF的無源電壓探頭，輸入信號(hào)的頻率為100MHz，此時(shí)，探頭輸入容抗為Xc(Cp) = 1/（2×π×f×C）=159Ω，容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于9MΩ的探頭阻抗，信號(hào)電流更多的會(huì)通過輸入電容提供的低阻回路，9MΩ阻抗的高阻回路等效為旁路。也可以理解為159 Ω和9MΩ的并聯(lián)之后等效阻抗為159 Ω。此時(shí),實(shí)際輸入到示波器的信號(hào)幅度(AC/高頻)是由探頭的輸入電容以及回路總電容的比值決定，等效為：            Vout=[Cp/Cp+C1]*Vin 
    一般來說，無源探頭的電纜存在8-10pF/foot的容性負(fù)載（1 foot 英尺=12 inches 英寸=0.3048 metre 米），1.5nS/foot的上升時(shí)間。  對(duì)于一個(gè)6feet的電纜就存在60pF容性，加上一般示波器的20pF的輸入電容以及一些雜散，大致為90pF左右。根據(jù)1：10的分壓，探頭的輸入電容應(yīng)該為10pF左右才能滿足 Vout/Vin=[10/10+90]=1/10 輸入衰減10倍的特性。考慮到探頭和電纜容性的一些誤差,需要使用探頭補(bǔ)償電容箱來進(jìn)行一個(gè)回路補(bǔ)償，由于誤差，無源電壓探頭的輸入容性一般為8~12pF之間。目前主流的10倍無源電壓探頭的輸入負(fù)載模型一般都是輸入電容8~12pF,輸入電阻9M歐. 
二、無源電壓探頭的校準(zhǔn)
     討論到這里,對(duì)于無源探頭的輸入模型大家應(yīng)該有了一定的了解,那為什么為了精確地測量，兩個(gè)RC時(shí)間常量（RpCp和R1C1）必須相等,測量前需要校準(zhǔn)呢?我們可以再進(jìn)一步簡化探頭模型為一個(gè)更簡單的阻容分壓電路如下:     
  
    
  讓我們來進(jìn)行一個(gè)簡單的推導(dǎo)計(jì)算:
   1.計(jì)算初始值uC2(0＋)由于電容電壓發(fā)生躍變，要根據(jù)電荷守恒定律和KVL來確定 
 

   2.計(jì)算穩(wěn)態(tài)uC2(¥)電容開路時(shí)，按照電阻分壓公式得到
  
   3.計(jì)算時(shí)間常數(shù)
   
   4.用三要素公式得到電容電壓uC2(t) 
  

    我們可以看到,波形有3種情況:

  1.完全補(bǔ)償  
 
 
  
        
  2.過補(bǔ)償
 
  

  3.欠補(bǔ)償  
 
 
  
    
    以下圖示給出了欠補(bǔ)償、過補(bǔ)償和合理補(bǔ)償三種情況下探頭產(chǎn)生的波形。        
 
      
    探頭欠補(bǔ)償波形圖
  

   探頭過補(bǔ)償說明圖  
  
     探頭正常補(bǔ)償說明圖   

   所以, 在獲得一臺(tái)可以工作的示波器和探頭后應(yīng)該要做的第一項(xiàng)工作是校準(zhǔn)探頭以保證其內(nèi)部RC時(shí)間常量匹配。這時(shí)需要將探頭連接到示波器的探頭補(bǔ)償輸出。然后使用非磁性調(diào)節(jié)工具調(diào)節(jié)補(bǔ)償箱中的調(diào)節(jié)螺螺絲完成校準(zhǔn)一直觀察到平坦的波形響應(yīng)。不要太頻繁校準(zhǔn)，因?yàn)闆]有必要。  
   本文關(guān)于無源電壓探頭模型的參數(shù)設(shè)定以及校準(zhǔn)的原理就介紹到這里,而對(duì)于示波器和探頭以及數(shù)字測量在業(yè)內(nèi)有很多的經(jīng)典理論以及應(yīng)用原則,比如信號(hào)的滾降特性,DSP信號(hào)濾波的處理。如何確保最真實(shí)的還原待測信號(hào),大家可以參閱更多專業(yè)的書籍。 希望本文的介紹可以讓硬件工程師們更深入和全面的了解我們的測量工具,真正做到還原真實(shí)信號(hào)。