示波器使用技巧——如何补偿示波器探头？

示波器探头的重要性

示波器探头是示波器外部的电路器件，其作用是从被测电路中探测信号，当探头接入被测电路后，探头会成为测试电路的一部分，而探头和示波器相连接，探头又会成为示波器测量系统的一部分。所以探头的电路设计非常重要。由于探头中存在分布电容和分布电感，尤其在进行高频信号测量的时候会使信号的频率特性变差。

示波器探头补偿

创建电路并使用示波器进行实验之前，适当地补偿示波器探头是非常重要的，否则测量结果将不精确。要想补偿探头，连接示波器的通道1输入与位于示波器前面板的探头补偿测试端子之间的一个探头。连接示波器通道2输入与相同的探头补偿测试端子之间的第二个探头。不要忘了将两个探头的地线连接到示波器前面板的接地端子。

之后，将两个输入通道的探头衰减因数设置为10:1 (10比1)。注意，某些高端示波器将检测是否已连接10:1探头，然后自动为您设置探头衰减因数。 接着，设置每个通道的V/div设置和sec/div设置，以便在示波器显示屏上显示 一个或两个周期的探头补偿信号。示波器探头补偿信号通常是一个1 kHz方波，因此 适当的sec/div设置应为200μsec/div。

图1: 调整每个无源探头的探头补偿。

如图1所示，使用一个小一字螺丝刀调整每个探头的可调补偿电容器，以使两个波形都是"平坦"的响应。这个可调的电容器在探针附近或是探头的一部分， 靠近它插入的示波器BNC输入端。

示波器无源探头补偿效应

欠补偿

过补偿

正确补偿

示波器探头补偿范围

大多数无源探头的技术指标中都列出使用无源探头时示波器的输入电容范围。 在选择无源探头时，必须确保示波器的输入电容在探头的补偿范围内，否则无法通过调整探头，获得经补偿的正确方波信号。 大多数示波器的输入电阻为 1 MΩ。该输 入电阻与输入（分路）电容并联。通常情况下，衰减系数大于 1:1 的高频率探头都内置有可调补偿网络。通过对补偿网络的调整，就可以在示波器规定频率范 围内得到尽可能最好的频率线性度。

示波器探头补偿步骤-了解如何在进行补偿调整探头

我们以 是德科技 2000X, 3000X 系列示波器标配探头为例演示如何在进行补偿调整探头。

将探头接入示波器探头补偿信号端子，分别调节探头上的螺丝孔，可对探头进行低频补偿达到近似理想方波的波形。

详细介绍和操作如下图所示：

1.首先将探头连接到示波器前端的示波器探头补偿信号上（1 KHz,方波）。

2. 按“autoscale"按键，自动调节波形，水平线显示超过信号的 2 个周期，垂直显示超过屏幕的 6 格位置。

3. 按照以下实物图，找到对应的补偿端子，进行调节，直至方波波形达到理想状态。

Figure 1. Low-frequency compensation adjustment for N2862B series

Figure 2. Low-frequency compensation adjustment for N2840A series

Figure 3

为了确保在示波器上获得最佳测量结果，您需要针对特定应用选择正确的探头和附件。 查看适用于InfiniiVision系列示波器的完整的探头和附件选择指南。

示波器探头补偿实测：如何补偿 10:1 无源探头？

探头和示波器的此电子模型显示（图 2 ）

图2. 连接到示波器的 1 MΩ 输入阻抗的 10:1 无源探头的简化示意图

当前我们只观察阻性组件时，我们已确定探头的 9 MΩ 探头端部电阻以及示波器的 1 MΩ 输入阻抗建立了 10:1 分压器比率。对于低频或直流电应用，忽略电容元件是比较适宜的。但是，如果您需要测量动态信号 （示波器的主要测量应用），则不能忽略此电子模型的电容元件。

所有示波器探头和示波器输入中本身都固有寄生电容。这些包括探头电缆电容 （C 电缆），以及示波器的输入电容 （C 示波器）。

“固有／寄生”仅意味着电子模型的这些元件非有意设计，而是真实电子世界中原本就存在的。固有／寄生电容的数量随着示波器的不同和探头的不同而异。但是，如果没有其他的设计电容组件来补偿系统中固有的电容元件，则系统在动态信号条件 （非直流）下的阻抗会从探测系统的整体动态衰减改为不同于所需的 10:1 比率。沿着可调补偿电容 （C 组件）分布其他／设计的探针电容器 （C 探针）的目的是建立与 10:1 的阻性衰减匹配的电容阻抗衰减。正确调整补偿电容时，这还可以确保与 9 MΩ 电阻器并列的探针电容的时间常数，和与示波器的 1 MΩ 输入电阻器并列的固有和补偿电容的时间常数匹配。

我们会将通道 1 探头连接到其他端子：

1 将两个 示波器探头连接到标记了示波器探头补偿的端子。请注意，这与称为 Demo2 的端子也是同一个端子。

2 按下示波器前面板上的 [默认设置]。

3 将通道 1 设置为 1.0 V/div。

4 将通道 1 偏移／位置设置为 0.0 V（默认设置）。

5 按触发电平旋钮，以将通道 1 上的触发电平设置为约 50%。

6 按 [2] 前面板键以打开通道 2。

7 将通道 2 设置为 1.0 V/div。

8 将通道 2 偏移／位置设置为约 +3.5 V。

9 将示波器的时基设置为 200.0 µs/div。

如果正确补偿了探头，则应在示波器显示屏上看到两个带有平坦响应的 1 kHz 方波，与图 21 类似。现在，让我们调整每个探头上的探头补偿。

 图21. 使用示波器的 1 kHz 探头补偿信号补偿 10:1 无源探头

10 使用小的“一字”螺丝刀，调整位于每个探头主体上的可变电容器。请注意，此调整有时位于一些探头的 BNC 连接端附近。

图 22 显示了通道 1 探头（黄色波形）补偿过度的示例，以及通道 2 探头（绿色波形）欠补偿的示例。如果您没有观察到近乎完美的方波，则应重新调整探头上的探头补偿，直到示波器上的波形与图 21 类似。

图22. 不当补偿的探头

正确调整探头后，只要在此示波器上继续使用这些探头，在下次使用示波器时应该就不需要重新调整它们了。

此时，您已完成了本实验的实践部分。如果您赶时间，并需要完成本章中最后一个实验，则应跳到实验 #6，然后读取本实验后面其余部分的内容。

如何计算示波器探头电容补偿的正确数量？

如果您面临挑战，请使用以下假设条件计算正确补偿所需的补偿电容 (C comp) 数量：

对于计算所需的补偿电容 (C comp) 数量，最早的方法是使 R tip 和 C tip 并联的时间常数 (1/RC) 与 R scope 和 C parallel 并联的时间常数相等。

请记住，C parallel 是探头／示波器模型中的三个电容元件的组合。

另一种计算方法是使 C parallel 的电容阻抗的 9 倍与 C tip 电容阻抗的 1 倍相等。这将建立电容阻抗产生的衰减常数，与仅阻性网络 (10:1) 产生的衰减常数相同：

示波器探头负载

除了适当补偿 10:1 无源探头以获得最为准确的示波器测量外，我們另一个必须要考虑的问题就是探头负载。换句话说，将探头和示波器连接到被测件 (DUT) 是否会改变电路的行为？将任何仪器连接到电路中后，仪器本身 （包括探头）都会成为 DUT 的一部分，并在某种程度上成为信号“负载”或改变信号的行为。如果使用上面列出的电阻和电容的给定值（以及已计算的 C comp 值），我们可以按照单个电阻器和电容器的并联方式将探头和示波器的负载影响通过建模方式合并在一起，如图 23 所示。

                                                                                        图23. 10:1 无源探头和示波器负载模型

对于低频或直流电应用，负载由 10 MΩ 电阻控制，在大多数情况下，这不应成为问题。但是，如果您探测的是 100 MHz 数字时钟信号，会怎么样？此数字时钟的第 5 个谐波 （用于创建此信号形状的重要分量）将为 500 MHz。现在，应计算由此负载模型的 13.5 pF 电容提供的阻抗，如图 23 所示：

尽管 13.5 pF 看起来可能不多，但是频率越高，此负载电容数量就会很大。对于此类较高频的应用，大多数示波器供应商提供了可选的有源探头解决方案，它们具有更低的输入电容 （辅助 pF）。但是，这些类型的特殊探头成本比典型的 10:1 无源探头要高很多。

衰减比
要根据测试信号的幅度和示波器垂直灵敏度范围，选择探头的衰减比（1:1、 10:1、100:1、1000:1）。

带宽（BW）
探头的额定带宽应与示波器相匹配，并且 足够宽以探测被测信号。但在较高频率时， 地线电感和输入电容对系统性能的影响比 探头带宽的影响更大。

输入电阻（Rin）
输入阻抗用来描述探头的负载效应。在直 流和低频范围内，探头的电阻元件是增加 被测电路负载的主要因素。不过，随着频 率的升高，触针中与直流电阻并联的电容 开始降低探头的输入阻抗，从而给目标带 来更大的负载，进而产生更不利的影响。

输入电容（Cin）
过大的输入电容（有时候称为触针电容） 将会减缓系统的脉冲响应。通常输入电容是越小越好。

最大输入电压（Vmax）
为了确保用户安全，同时帮助用户保护 示波器输入不会受到破坏性电压的影响 及避免探头损坏，所选探头的额定电压 必须高于被测信号。

探头接口
大多数是德科技示波器探头都配有 BNC 接口或 AutoProbe 接口。AutoProbe 接口 是 Infiniium 或 InfiniiVision 系列示波器和 其兼容探头之间的智能通信和供电链路。 AutoProbe 能够识别所接探头类型，并且 按正确设置输入阻抗、衰减率、探头功 率和偏置范围。

触针外形
探头必须可靠地接至测试点。这通常需要使用小而轻的探头，以及适应测试点的兼容触针或抓钩。对于 SMT 和微细节 距几何结构的器件，这一问题尤为关键。

示波器探头类型

示波器无源探头

“示波器无源探头”是使用最广泛的示波器探头类型， 也是最耐用和最经济 的探头。无源探头中没有像晶体管或放大器这类有源器件，因此不需 要给探头供电。

示波器探头的低电感接地连 接保持探头低负载，以实现信号完整性测量。

示波器探头可更换触针， 降低用户的使用成本。

单端有源探头特性

有源探头探针旁装有内置的小有源放大器。这种做法能得到尽可能低的探头输入电容， 通常小于 2 pF。如此低的电容可在高频时得到高输入阻抗。这些有源探头有电阻性负载 和电容性负载的最佳组合。低负载使有源探头能用于高阻抗电路中，而如果使用无源探 头，会带来很高的负载。在所有探头中，有源探头是干扰性最低的探头。

N2795A/96A 内置头灯，可在探测时提供更好的可视性

差分有源探头

“差分”探头是指有一正一负两个输入端和单独地线的有源探头；它通过一端端接的 50 Ω 电缆把输出信号传送到示波器通道。该输出信号与两个输入端之间的电压差成正 比。差分探头用于探测相互作参考，而不是以地电平作参考的信号，以及观察存在大的 直流偏置或其他共模信号，如电源轨噪声时的小信号。

N2800A-03A InfiniiMax III 探头放大器

焊接到 IC 的 N5439A InfiniiMax III ZIF 探头前端

是德科技N5425B/26A 用于 InfiniiMax 探头的高带宽 ZIF 焊入式探头前端和探针

N2750A-02A InfiniiMode 探头和标配附件

只需一个使用插孔式探针或点测式探针的 InfiniiMode 探头，即可方便地测量差分、单端和 共模信号。内置探头前端灯

1130A/31A/32A/34A/68A/69A InfiniiMax 高带宽差分探头及其 探头前端配置

N2793A 800 MHz 15 V 差分探头和标配附件

N2790A 100 MHz 1.4 kV 差分探头和标配附件

N2791A 25 MHz 700 V 差分探头和标配附件

N2792A 200 MHz 20 V 差分探头和标配附件

示波器电流探头

示波器电流探头可检测流经导体的电流，并将其转换成可以在示波器上观察和测量的电压。是德科技电流探头使用混合技术，包括用霍尔效应传感器检测直流电流，用电流互感器检 测交流电流。采用分核体系结构的电流探头能容易钳住和断开导体，因此不必要与电路 作电气连接。提供的测量带宽为直流至 100 MHz。

N2820A/21A 高灵敏度电流探头（N2820A = 2 通道，N2821A = 1 通道）

1147B 50 MHz 电流探头，具有 AutoProbe 接口

N2893A 100 MHz 电流探头，配 备 AutoProbe 接口

1146B 100 kHz 电流探头

N2780B 系列电流探头，配备 N2779A 电源