关于示波器无源探头

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 楼主| xukun977 发表于 2020-6-20 09:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-20 09:18 编辑

这个话题,以前某个冬天讨论过了,而且至少发过两个帖子了,再重复一遍。

先给出话题来源:






普通分压电路,如下图,上升时间大约是2.2*1M*16pF,约等于30多uS.
(我用的示波器输入端口标明:1MΩ//16pF)







补偿后,就成了以前发帖讨论运放稳定性时,最最常用的桥式网络补偿!!!!!





这样画,可能不方便观察,改成下图,就容易看出是给电桥了:







电桥平衡条件,大一的《电路原理》中说过了,楼主第一个问题回答完毕!






顺便说一下,电桥一旦平衡,下图中横线中,是没有电流流过的,所以可以砍断:





砍断后,电路在考虑C2影响时,依旧变成了理想的分压电路。



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 楼主| xukun977 发表于 2020-6-20 09:22 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-20 09:37 编辑

对于上面电路,可以证明出电桥平衡时,时域上阶跃相应是理想的,频域上相当于带宽无穷大。
根据电容原理,理想阶跃相应,需要无穷大的电流,实际电路中当然不可能有。
所以需要借助于信号源输出阻抗Rs来建模,才符合实际。




于是可以回答提问者第一个问题了:






【VF3的带宽得以扩大了10倍】,这句话是个病句,读者需要充满了想象力才能看懂,说VF3扩大带宽,需要有比较对象,这段文字根本没说。


另外再牢骚一句,看这个书,我感觉到揪心,例如图中文字----【衰竭补偿】,你在世界上能找到第二本书/网页,有这么说的???
用这个名字,容易让人想到示波器探头有心脏病,会心力衰竭死亡。


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 楼主| xukun977 发表于 2020-6-20 09:32 | 显示全部楼层
另外,忍不住再牢骚一句:目前世界上有这么牛比的示波器,能识别出是否使用了10:1衰减探头,然后测量结果自动✖10??

当然了,示波器和示波器探头配合,想实现这个自动识别功能是可行的,理论上是No  problem的,

但目前万元以下级别的示波器,测量结果是×1,还是×10,是靠人手工设置的吧?

但是贫穷可能限制了我们的想象,价值几十万的示波器是什么样子,我还真没用过,主要是怕用坏了,赔不起。




 楼主| xukun977 发表于 2020-6-20 09:52 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-20 10:06 编辑

说提升了10倍,必须有比较对象,根据楼主位置的截图,可以猜测出原书作者,是这个意思。

首先,把信号源直接和示波器连接,等效电路如下图左,一个红线框表示信号源,一个红线框表示示波器等效输入电路。





这个电路的时间常数为:








然后再在信号源和示波器之间,插入衰减器:






来比较这个电路的带宽,和上面那个电路带宽之比,是不是10.

当电桥平衡时,这是个1阶电路,时间常数为:







两个电路时间常数之比为:





使用计算器按一按,结果是1/10


既然时间常数之比是1:10,对于一阶电路来说,说明带宽提升了10倍(相对于没加衰减器的电路来说)


原帖第一个问题,回答完毕。




可见,带宽之所以能提升10倍,是因为等效电容减小10倍,由75pF减小到7.5pF:


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评论

传递函数如一个比例关糸,跟S无关,也就跟频率无关。  发表于 2020-6-20 15:19
我看带宽无限提升,理论上,说法欠妥。  发表于 2020-6-20 15:18
gx_huang 发表于 2020-6-20 10:33 | 显示全部楼层
价值几十万上百万的示波器,肯定单位掏钱,不存在是否用得起的问题,只说明你是否在大公司呆过。
高档原装探头,示波器表笔有额外触点和主机连接,可以识别各种探头。一个原装表笔的价钱都可以买一台很好的普通示波器了
普通示波器就一个同轴输入,肯定无法识别。
gx_huang 发表于 2020-6-20 10:40 | 显示全部楼层
能对示波器探头补偿电路有疑问的工程师,已经是一个好工程师了。有些工程师,觉得自己很聪明,从来不看使用说明书,都工作很多年了,从来不知道表笔需要调整频响。测试D类放大器输出信号,4V电源,竟然发现峰峰值远大于4V,很迷惑,不就探头频响不对而已。
 楼主| xukun977 发表于 2020-6-22 11:57 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-22 12:21 编辑

分析电路的阶跃响应:


如下图所示,假设t=0时,有个幅度为v的 阶跃电压激励电路,想求t=0时的输出电压vo





根据电路原理知,电容上电压不连续,意味着电容电流是无界的!


所以,在t=0这个无穷小时间内,有无穷大的电流存在,而在0-到0+时间内,这个电流会对电容充电,每个电容上充入电荷q:





于是据此可以计算出初始(即t=0+)输出电压:









而当t→∞时的输出电压,初中生也知道分压公式:








初始电压和终值电压知道了,可以分成三种情况:

1,V(0)=V(∞)

2,V(0)>V(∞)


3,V(0)<V(∞)




这三种情形,分别对应示波器探头说明书上的三种波形,对于电工来说,人人皆知,此处略去100字。




上面图片中,从左到右,分别对应于
V(0)>V(∞)   ,  
V(0)<V(∞)和
V(0)=V(∞)
三种情形。




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 楼主| xukun977 发表于 2020-6-22 14:49 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-22 14:52 编辑


以上仅仅是理论而已,实际情形比这个,复杂十万八千倍。

例如实际电路焊接完毕后,会发现不管怎么调整C2都不行,输出电压都有个“下垂”,如下图右所示:






这和理论预测不符。

聪明的工程师想出一个廉价、简单的好方法:在双面电路板上,直接用PCB上的铜,做两个一两个pF的小电容,就能解决问题。








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 楼主| xukun977 发表于 2020-6-22 14:57 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-22 15:05 编辑

再比如考虑到信号源电阻后,输出电压的阶跃响应,是指数上升的,不是理想的阶跃信号。






这个时候,聪明与智慧的化身----工程师,想到了一个很简单的解决方案:




几分钱一个小电阻,解决了问题,太帅了。





事情还没完,实际电路还有电感效应:





智慧与聪明的化身--工程师又出马了,想到了以毒攻毒的好方法:再加一到两个小电感,轻松解决问题。



所以,一个小小的示波器衰减器,里面也满满的都是学问。
如果跟个傻子一样,机械的列方程、解方程玩,那么就体会不到工程师的智慧美了,学习也就没什么意思了。






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