示波器探頭基礎系列之一《示波器探頭淺談之無源探頭》
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一、10倍無源探頭的模型以及輸入負載設定
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，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償箱電容的組合值。為了精確地測量，兩個RC時間常量（RpCp和R1C1）必須相等；任何不平衡都會帶來測量波形的失真,從來引起使一些參數如上升時間、幅度的測量結果不準確。因此，在測量前需要校準示波器的探頭的工作以保證測量結果的準確性。從探頭的信號模型我們可以分析， 對于信號的DC量測，輸入容性Cp和C1等效為開路。信號通過Rp和R1進行分壓，最終示波器的輸入為：Vout=[R1/Rp+R1]*Vin=1/10* Vin
示波器輸入信號衰減為待測輸入信號的1/10。對于較高頻率的輸入信號,容抗對于信號的影響會大于阻抗。例如，一個標準的1MΩ~10pF的無源電壓探頭，輸入信號的頻率為100MHz，此時，探頭輸入容抗為Xc(Cp) = 1/（2×π×f×C）=159Ω，容抗遠遠小于9MΩ的探頭阻抗，信號電流更多的會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的并聯之后等效阻抗為159 Ω。此時,實際輸入到示波器的信號幅度(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的容性負載（1 foot英尺=12 inches英寸=0.3048 metre米），1.5nS/foot的上升時間。 對于一個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1：10的分壓，探頭的輸入電容應該為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,需要使用探頭補償電容箱來進行一個回路補償，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載模型一般都是輸入電容8~12pF,輸入電阻9M歐.
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