示波器探头校准的重要意义

示波器无源高阻电压探头具有通用性,通常一个探头可以与不同的示波器搭配使用。但不同的示波器,甚至同一示波器的不同输入通道,输入阻抗会有差异,这样当探头切换到带衰减的档位时,由于示波器输入阻抗的差异,势必导致衰减系数出现偏差,最终造成测量结果错误。

为了解决这个问题,就要考虑探头与示波器输入通道之间的阻抗匹配和频率补偿。探头补偿是针对有衰减的档位设计的,当探头切换到无衰减档位时,补偿调节无效。

示波器的输入阻抗可以等效为一个电阻与一个电容的并联。电阻的阻值比较好控制,一般偏差不大,而寄生电容则与电路设计相关,会有一定的差异。为了补偿输入电容,需要在探头的衰减档位上设计相应的补偿电路,通过调节可调电容,补偿输入电容的差异,这就是低频补偿,所有的探头都具有该功能。然而,由于电路设计方案不同,该可调电容的位置也不一样,但通常在探尖端,如图 1所示。

图1 低频补偿调节孔

调整补偿电容时需接入示波器上的1kHz校准信号,调整补偿电容,直到方波的顶部最平坦,而不应出现欠补偿或过补偿的情况。当探头欠补偿时,高频信号的测量结果偏小,反之,高频信号的测量结果偏大。若示波器上的1 kHz的校准信号损坏,也可以采用外部的1KHz的标准方波进行校准,但应特别注意以下几点。

首先,信号波形要接近理想的方波,不应出现过冲或上升沿过缓的情况,以免调节时影响判断,信号质量可通过探头无衰减档评估。

其次,信号频率应为1kHz,频率过高或过低都会影响补偿的正常操作,例如出现调整补偿时,信号波形形状不变,而幅度变化的情况。之所以选择校准信号频率为1kHz,是与探头本身的频率特性相关的,在该频率下,最有利于观察补偿情况。当然,在补偿时对校准信号的幅度并无严格要求,以方便观察为佳。低频补偿前后的波形如图2所示。

图2 低频补偿前后波形对比

为了降低探头的负载效应并扩大补偿范围,通常会将补偿电容放置在探尖端。然而,对于带宽较高的探头,该补偿电容并不能在整个通频带内都起作用,往往还需要做额外的高频补偿,如图3所示。

图3 高频补偿调节孔

调整时,把具有高速边沿且频率在10KHz到1MHz之间的方波接入示波器,在确定低频补偿已调好前提下,便轮流调整两个高频补偿调节孔,直到屏幕上显示理想的方波。高频补偿前后的波形如图4所示。

图4 高频补偿前后波形对比

经过低频补偿和高频补偿,探头可达到标准状态。若条件允许,建议每次使用前都对探头做低频和高频补偿,在没有可用信号源的情况下,建议用示波器自带的校准信号来完成低频补偿。如需测量频率在50MHz以上的信号,则需要细致调节高频补偿,并充分利用探头附件,以获得良好的测量效果。

图5 ZDS2022示波器