拆个示波器无源探头,看看里面到底有啥秘密

拆个示波器无源探头,看看里面到底有啥秘密

尝试在知乎上瞎写点东西吧,就从示波器的无源探头开涮。

这不是关于示波器无源探头的科普也不是使用经验,存粹我个人好奇瞎研究,没有什么实质性的内容,要愉快地阅读需要有一定电子电路基础。关于探头介绍和使用的文章,推荐阅读泰克公司写的ABCs of Probes Primer。

哪根筋搭错了要去研究一下无源探头

一切都起源于一个问题:能不能把1X的无源探头当同轴线去匹配50欧姆或者75欧姆的系统?有经验的人会立刻回答不能,因为就算是1X的探头上面也串接了一个不小的电阻。我手边正好有一个报废的探头,拿万用表测了一测,内芯的电阻有300多欧姆!外导体倒是正常的零点几欧姆。这样一条“同轴线”显然不能拿去匹配50欧姆或者75欧姆的系统。

问题看起来是解决了,可这又加深了我对无源探头的疑问:问什么探头上要串那么大的电阻,又为什么1X探头的带宽比10X探头小那么多?

拆根探头看看里面有啥

要说这无源探头还真不太好拆,整体注塑的还特别硬,没办法用水口钳一点一点把塑料夹下来吧,塑料外壳去掉了里面还有个金属套筒,没办法继续夹吧。废了九牛二虎之力,手上也搞出了几处伤,终于拆除了这样一个玩意:

无源探头内部结构

一根探针,一块电路板,几个电阻电容,一个单刀双掷开关,一根同轴线,就这样。

然后电路长成这个样子:

无源探头等效电路图

探头上的阻尼电阻

果然探头上串接了不小的电阻,可为什么要串这样一个电阻?简单建模仿真看看:

示波器测量系统简单模型

其中RS1为源内阻,这里取经验值25欧姆;RD1是无源探头的输入阻尼电阻,仿真的时候会扫参这个电阻值;L1是探头线缆的寄生电感,取经验值500nH;C1是探头线缆寄生电容和示波器输入电容的和,也是根据经验取100pF;R1是示波器的输入阻抗,为1M欧姆。

把RD的取值作为扫描的参数,取1、25、50、75、100、150和200欧姆,系统的频率响应和阶跃响应如下:

这个阻尼电阻主要作用就是抵消探头寄生电感带来的系统频响上的尖峰,阻尼电阻过小尖峰很大,时域波形会出现较大的过冲,阻尼电阻过大又会导致系统带宽不足,实际的取值往往是根据探头和示波器特性,经过调试权衡出来的一个中间值。

为什么10X探头比1X探头拥有更高的带宽

上一节可以看到,由于寄生电容电感和阻尼电阻的存在,1X探头下系统的带宽是比较低的,10X探头却可以通过在衰减网络上增加补偿电路来获得更高的系统带宽,简化的系统模型如下:

10X探头下示波器测量系统简化模型

这里把阻尼电阻RD1设置为100欧姆,在1X下带宽大约是17MHz;阻尼电阻和示代表线缆的寄生电感之间串接了一个衰减和补偿网络,其中C2是一个可调电容(还记得探头上那个补偿旋钮么)。适当调节C1、C2、R2和R3的取值,就可以获得一个较为理想的系统频响。

当然真实的情况比这个模型要复杂不少。用过高带宽无源探头的朋友应该会注意到,相比低带宽探头,高带宽探头除了调节低频(1kHz方波)的那个可调点(这里是C2)外,还会有一到两个调节高频的补偿点(可能是这里的R2和R3)用来调节高频的过冲。

非一般的同轴线

探头上的东西探索的差不多了,下面回到一开始那个问题:能不能把1X的无源探头当同轴线去匹配50欧姆或者75欧姆的系统?不能,因为探头上串接了较大的阻尼电阻。那么我把探头剪掉(探头不便宜,这么做还是挺心疼的),用后面那一截同轴线去匹配50欧姆或者75欧姆的系统行不行?这个问题能回答正确的人就不多了。

先把这一截同轴线拿到VNA上测测看是个什么结果。

同轴线S11参数
同轴线S21参数

什么鬼?!根本就不像是一条同轴线嘛。然后我又测了很多次,排除VNA故障,排除校准问题,排除测试方法不当,排除同轴线断了....反正真的就是这么丑。

说到这细心的读者可能会发现,我一开始说用万用表测出来探头内芯的电阻有300多欧姆,但是后面探头简化的原理图上,阻尼电阻怎么算都不到200欧姆吧,被我吃掉的100多欧姆难道在这同轴线上?是的没错,拿万用表测这条同轴线芯的电阻,1m多长的线居然有近180欧姆的电阻。

这么大的电阻当然不是线缆坏掉了,肯定有它存在的道理,不废话上TDR看看。

同轴线TDR测试

一条斜线,说明阻抗在线上是均匀分布的,这难道是传说中的阻抗渐近线?不过跟普通的阻抗渐近线还有点不一样,这条线的插入损耗特别大,因为存在较大成分的电阻成分。

被测源、无源探头和示波器组成的一个系统,源端阻抗未知,终端阻抗1M欧姆,探头这个传输线要怎么去匹配这个系统呢?那索性就不匹配了吧,再搞个高损耗的传输线把反射降低一下,就这么简单粗暴。(我对射频这部分并不是太了解,不知道这样的说法对不对,不恰当的地方还希望读者不吝指出。)

格式性的表示这篇文章结束了

好吧就这样吧,感谢读者花宝贵的时间看完一个咸鱼工程师干的一件无聊的事情,如果文中有什么错误或者纰漏,希望读者能不吝指出,互相探讨共同学习。

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发布于 2018-03-18