白话说说无源示波器探头基本工作原理，为什么有带宽限制和探头补偿。

qrut

无源示波器探头之前有很多坛友拆过，内部结构也很简单，就是几只电阻电容，但是有些坛友对其基本工作原理并不是很明了。特开一个帖子用大白话简单说下探头工作原理 带宽限制 和补偿方法。网上类似的介绍也有不少，但是讲的都是比较粗略难懂，还弄一堆公式计算英文啥啥的，导致很多网友看的是云里雾里 一头雾水。为了让更多刚入门坛友听懂看懂这个帖子里面尽量少的出现公式计算行话术语，只要你掌握初中的基本欧姆定律相信就能看的懂。

首先 介绍几个概念：

第一 是电容隔直通交，就是对交流相当于短路通过（频率越高越趋近），对直流相当于开路。
第二 是电容两端电压不能突变，就是电容两端电压上升下降需要一定时间，而不能突然上升和下降。
第三 电容容抗的计算公式，这个可能本帖唯一提到的一个公式 容抗xc=1/（2πfc  ） π=3.14， f=工作频率， c=电容容量

下图是无源1x探头组成的基本测量模型  分信号源 探头 示波器三大部分
信号源包含信号本身还有其串联等效内阻r0 ，探头包含地线电感和同轴线等效电容c0（同轴外皮加芯线也等效一个电容），示波器包含输入内阻r1和输入电容c1




上面的图简化后就是这个样子


一般探头地线的电感很小所以可以忽略，r1的输入电阻一般是1兆欧较大也可以忽略，电容c0和c1是并联关系所以可以看做一个电容c，再进一步简化后成为下图的样子。
这时探头和示波器整体就变成了电容c ，可以看做是信号源的负载，那么低频的时候例如几百k或几兆 ，电容c的容抗很大基本不影响信号的测量，如果高频例如几十m上百兆，那么
此时容抗变得很小相当于用一个很小的电阻把信号源短路，那此时就失去了测量的意义了，还有可能影响信号源的工作甚至烧毁信号源。所以一般1x探头带宽只有几十兆


为了解决这个问题和拓展带宽 在探头输入串联一颗电阻来看看是什么状况 ，红圈r2串入回路和r1分压 如果r2阻值9兆 r1阻值1兆，那如果信号源输入10v的直流电压，r1示波器输入端将会获得
1v的电压，这样输入阻抗就增大了很多（r1，r2串联为10m），就不会影响信号源了，示波器内部再将衰减10倍的信号放大10倍就能测量到实际电压。看似合理实际上，单独串联r2只适合纯直流的情况，如果测量交流或包含交流的信号，由于示波器输入电容c1的影响（为了便于分析之后的原理图会将同轴线和示波器输入电容还有探头bnc接头里面的补偿电容，三个并联关系，合并为一个电容c1来看待），测量频率越高其容抗越小而且随不同频率变化，它和r1并联关系，频率变化示波器的等效内阻也跟着变化，再和r2串联分压，那分压比值随频率变化而波动，就无法准确的确定分压比值，也就无法确定示波器内部放大器的增益，所以光串电阻r2是不行的。


那串联一颗小电容如何，下面看看情况
串入c2 如果c2容值选择比较小，比如10pf ，c1包含同轴的大概70pf 还有示波器输入电容大概20pf，还一些分布电容，大概总共90pf左右，这样c1比c2大很多，两个串联容值基本等于c2的容值，为了尽量不涉及公式，白话解释为什么基本等于c2，c1容值大相同频率其容抗很小可以认为短路，就成为一根导线和c2串联不就只剩下c2的容量了吗，实际c1不可能短路，和c2分压后可以得到10分之1的电压，和前面单独电阻r2的情况类似。这样一来输入电容基本就是c2的容抗，这样测量高频时，由于c2比c1小多了，容抗会很大，相当于输入电阻很大，也不会拖累信号源了。但是这只是纯交流的情况，前面说了电容隔直通交，如果测量纯直流c2对直流相当于开路，那还怎么测量，所以单独c2也是不行的。


最后c2和r2并联后再串入探头输入，再看看情况，当纯直流时只有r2 r1起作用对信号10分之1分压取样，电路正常工作。当交流时c2c1分压取样，频率变化 c2c1容抗同时变化达到动态平衡，永远维持10分之1的比例，交流信号电阻r2r1也同时起作用，最后相当于c2的容抗和r2并联，c1的容抗和r1并联，然后两个再串联共同取样，虽然对于交流来说输入阻抗会变小一些（两个分压同时起作用），但总的来说输入阻抗整体还是提高了很多，所以就较完善的解决了1x探头的低输入阻抗和低带宽的问题，这就是常用的无源10x探头的基本结构和原理。


下面说说啥叫探头补偿和探头补偿的原理 c1为补偿电容（实际是同轴电容和bnc补偿电容和示波器输入电容并联总和，用一个可调c1来表示）成品探头实际只有bnc插座中有个可调（电路形式不同品牌也稍有不同，这里只介绍基本原理）
前面也提到电容两端电压不能突变，电路中电容的存在必然导致电压传输时不能立刻进入稳定的分压状态。


单看c2和r1，两个串联，r1上输出，相当于一个微分电路，啥叫微分不理解也不要紧，把电容看做电阻能看懂吧，两个串联，如果两只都是电阻，那输入一个电压将立刻经分压进入稳态，但是输入是个电容，前面提到电容两端电压不能突变，瞬间相当于短路，那信号源的电压将直接加在电阻r1上面，达到最大值，然后随着c2的充电r1电压逐渐下降，直到达到分压稳态。


这样一来如果一个单极方波（双极意思一样就是正负极性，用单极说明更容易理解），t0到t1时刻就相当于一个直流高电平，加到上面的电路上会产生什么效果呢


就变成了这样一个曲线，出现一个较高的尖峰再慢慢回落直到稳定（实际上没有r2存在电压将逐渐变为零）


整个电路如果c2过大c1太小，微分作用大于积分作用，输入一个单极方波波形上沿就会出现过冲超调，这个就叫过补偿。



如果单看r2和c1 ，两个串联，c1上面输出，相当于一个积分电路


就是如下曲线 和上面整相反 特性也相反 （实际没有r1的存在电压将逐渐升高到输入最大值）


如果c1过大c2过小，积分作用大于微分作用它会使波形变成这样，这就是欠补偿状态。


那两个一起呢 如果保证r2xc2=r1xc1 微积分作用相当相互抵消，电路就会达到平衡。


传输特性就是下面平直的曲线，加电瞬间就能达到分压稳态。


输出就是完全补偿的完美波形


最后上两张探头实物和示意图 便于坛友参考
红圈微调电容对应原理图中c1总电容（示波器输入电容 ，同轴传输线等效电容， bnc补偿电容）里面的bnc接头补偿电容部分，并联关系，调整将改变c1总容量。






此贴结束 谢谢观赏~

duohaiou

探头基本工作原理

qiuyii

示波器大佬

bg4ifm

讲的通俗易懂

Google Earth

超过了评分时限，只能帮顶

scpzhzl

来学习学习，谢谢分享！

pointar

为什么我用示波器的交流耦合测一个1KV的直流信号，会有500V的直流成分

简燕

manjianghong 发表于 2021-2-14 22:20
那無源探頭究竟貴在哪裡？

一个好的无源探头,成本最高的地方,就是那根同轴电缆.

探头用的同轴电缆,也就1米多长.在低频时,呈现的是导线的特性,可以看作一个集总参数的元件,就像楼主分析的那样.探头在X1状态测量低频时,对外呈现的是示波器的输入阻抗.当频率升高,进入射频范围,同轴电缆就会呈现传输线的特性,这时探头在X1状态对外呈现的输入阻抗是传输线的特征阻抗,而不是示波器的输入阻抗.过低的输入阻抗,会对被测电路产生严重影响甚至无法正常工作,这就是无源探头带宽限制的原因.

在测量高频信号时,无源探头里面依然会有RC电路,这些电路是为了阻抗匹配和吸收反射波.同轴电缆的特征阻抗做高不容易,所以,测量高频信号(200M以上)时,会用有源探头,示波器是50欧低输入阻抗.如果测量的频率再高,达到G Hz时,有源探头也不能用,会直接用50欧同轴电缆连接被测电路和示波器.

xuyapple

manjianghong 发表于 2021-2-14 22:20
那無源探頭究竟貴在哪裡？

高频的无源探头对寄生参数要求也高，线材、粗细、耐压等对成本影响应该挺大的

manjianghong

qrut 发表于 2019-1-23 08:05
我说呢，原来在这儿问过

請解答一下可好

manjianghong

合肥德机迷 发表于 2019-10-28 20:21
想请教一下  我的 ST-16的示波器要用什么样子的探头。。菜鸡 问问。。谢了 ...

同問同求

manjianghong

qrut 发表于 2019-1-16 08:54
这个咋说呢，我感觉那根线也未必是什么高科技，反正有好些无源探头卖好几千 ...

那無源探頭究竟貴在哪裡？

wq1310699368

感谢大神的分享

qiuoqiuo

这草图画的，  啧，啧 ，足见基本功当时学的有多么的扎实。   鼓掌。

cat_li

多谢讲解，讲的很详细了

合肥德机迷

想请教一下  我的 ST-16的示波器要用什么样子的探头。。菜鸡 问问。。谢了:loveliness:

hanli

不久前自己的探头断了一只，剥开屏蔽线里面的线只是个单根细线，上网查并非是铜，也无法焊接，探头主体无法拆解，只能凉凉了！

狮子king

感谢楼主让我知道了探头前面的钩子可以拔掉变成探针，一直觉得钩子很不好用。。。  :loveliness::loveliness::loveliness:

nm2012

一直不懂，现在通过大师讲解。算是明白了。

阳光使者

好文章，学习了！