如何校准Pico x10示波器探头

时间：2018-05-24

为了尽量减少对被测元器件的容性负载，大多数picox10示波器探头使用一个X10（也称为10:1）衰减器。我们往往可以对它进行补偿或校准，来提高频率响应。下面来以Pico MI103（250 MHz）的探头为例介绍的校准技术。这些校准方法可以应用到任何可调的无源探头，但并不是这里介绍的所有的校准方法都是可行的。

补偿有两种类型：高频补偿和低频补偿。校准按键通常设置在探头的两端，如图1所示。

图1：MI103探头微调器位置

低频补偿
低频补偿（LFC）需要在kHz范围内调整X10探头的频率响应。低频补偿必须在高频补偿（HFC）之前进行。

图2显示了一个典型的探头模型。Cp是在放置在探头尖端的耗散电容。 R1是一个9MΩ的串行电阻，用来隔离电缆电容和被测设备的输入。其组成示波器的一个带有1MΩ输入阻抗的10:1 Rscope衰减器。

图2：示波器探头模型

Ccomp1是一个可变电容，组成探头低频补偿的调整部分。Cp是用来调整R1和Ccomp1的时间常数来匹配Cscope、 Ccable和Rscope设定的时间常数。实际上，我们在高频段（100 kHz以上）有一个直流电阻分压器和一个电容分压器。 Ccomp1置放在MI103探头的顶部实现微调，靠近衰减开关。Ccomp2和Rcomp是用在探头的高频补偿（HFC）部分，详细情况将在下一节讨论。
最简单的对探头进行低频补偿的方法是输入一个相对边沿变化较慢的方波，但重要的是，不能过冲。

图3显示的是如何通过波形判断低频补偿是否合理。低频补偿过多，探头的高频（HF）增益将会比它的低频（LF）增益高。低频补偿过少，高频增益将会低于低频增益。

图3：低频补偿

高频补偿
影响探头的高频率响应的两个不定因素：电缆阻抗以及示波器的输入阻抗。示波器的输入端通常不是一个理想的电容，它会带有一些串联电感使得电路不具有非线性。

图4显示了在示波器的输入端放置一个陶瓷芯片电容器时的典型特征。由于电容的串联电感在存在，阻抗在它开始再次增加之前会随着频率变化有一个微降的过程。最低阻抗点的频率就是电抗和容性阻抗相等时的共振频率。

图4：陶瓷电容器特性

由这张图我们可以看出，在甚高频（VHF）的情况下，示波器输入端并不是由简单的一个电阻与一个电容并联组成，还需要进一步考虑PCB复杂的非线性特征。高频示波器的输入阻抗由一个1MΩ的接地电阻、耗散电容和电感组成。它们都有与自己的串联和并联的电感和电容元件，而这些往往在甚高频的情况下具有非线性特性，这使得情况进一步复杂。
为了补偿非线性，往往在高频探头的BNC输入端嵌入一个非常小的电容和一个串联电阻进行分流。这可以用在更高频率的任何非线性区域，在的超过探头测试范围也不会造成严重的过冲。
Rcomp和Ccomp2是探头的高频调谐元件。该电路是经常在PCB的BNC连接器屏蔽的情况下使用，以尽量减少电缆和噪声拾取的影响。Pico公司的MI103探头有两个这样的RC网络，每个都有自己的可调电阻。一个控制中频段，另一个控制高频段。两者会互相协调以到获得更好的响应曲线。
要进行高频探头补偿，必须输入一个边沿变化非常快的方波。该波形必须具有很少或没有过冲的快速边沿（比探头上升时间短3X）。Pico采用过冲不到3％的信号发生器和一个非常短暂的上升时间。同时，应考虑脉冲发生器的50Ω端接器的电压驻波比，低端的端接器可能造成额外的过冲。

当调谐探头的时候，为了匹配探头对直接连接示波器输入的反应，应先观察示波器的脉冲响应。图5显示的是Pico公司的示波器3206B（200 MHz）在没有连接探头时的脉冲响应。它的输入脉冲有一个250 ps的上升时间。

图5：Pico示波器3206B没有探头时的脉冲响应

注：测量小于200 mV（2 V范围内连接X10探头）的信号时必须使用调谐探头，因为它可以提供最理想的脉冲响应。
在1GHz左右出现轻微的过冲或振荡。主要是因为PCB的耗散电感首先进入第一个放大器，以及放大器本身造成的轻微振荡。

图6显示了过偿和欠补偿时脉冲响应的情况。补偿的目的就是尽可能地使响应趋于平坦。调谐探头时应注意探头的上升时间。PicoScope 3206B的探头MI103，上升时间应约1.4 ns。图6中，在40 MHz的带宽上，探头欠补偿时的上升时间为10 ns。探头过补偿时的上升时间是约1.2 ns，但是它的波形是不够平缓，在100 MHz至300 MHz范围内过增益。