示波器中的加速电容

在用示波器测试脉冲信号的波形时，常常会发生这样一种情况：被测电路的波形本来是很好的，而示波器所显示的波形却出现了夫真。这种现象往往是由于示波器本身的“加速电容”失调造成的。

示波器中的加速电容通常是指装在衰减器和探头中的某些电容，它们是由一些容量较小的半可变电容器与固定电容构成的，并在仪器出厂年前已调整好。然而在示波器使用一段时间之后，加速电容会有所变化，如果不及时地重新加以调整，示波器所显示的脉冲波形就将出现失真。因此，加速电容是示波器中的一个重要元件。

示波器的输入信号电压幅度往往有很大的差别，为了在不同幅度的输入电压时，使示波器放大电路的输入端都能得到一个幅度合适的电压，就需要在输入端与放大电路之间加入由分压电路组成的衰减器。分区电路的基本形式见图1，其作用是将幅度较大的输入信号电压U\(_{i}\)分压后送给放大电路，即输出电压Uo=R\(_{2}\)·Ui／（R\(_{1}\)+R2），则电路的分压比K＝U\(_{o}\)/Ui。R\(_{2}\)/（R1+R\(_{2}\)）。对于分压电路，除了要求按照所规定的分压比进行分压之外，还要求输出电压不产生附加的波形失真。具体来说就是应保证输出脉冲信号的上升沿、波顶、下降沿等与输入脉冲信号的波形完全一致。

然而，要满足这些要求并不容易。因为在实际电路中，分压电路的输出端总要存在着各种形式的电容，有的是下一级电路的输入电容，有的是根据需要而外接的电容，还有的是电路中的引线或元件之间的寄生电容等等。这些电容的总效果就好象是在分压电路的输出端并联了一个电容，如用C\(_{o}\)表示，其等效电路如图2所示。

这个电容的出现对分压电路的性能会产生怎样的影响呢？通常，在研究一个电路的波形失真情况时，是给电路输入一个由0电位突然上升到某一电位E的所谓“跃变信号”，见图3（a）。显然，若没有C\(_{o}\)的影响，随着Ui的跃变U\(_{o}\)也会迅速跃变，即当Ui由0跃变到E的瞬间，U\(_{o}\)也由0跃变到KE，Uo与U\(_{i}\)的波形一致而没有失真，见图3（b）。而有Co存在之后情况就不同了，现分几段时间加以说明：在t\(_{o}\)～t1期间，U\(_{i}\)=0，Co上没有电压，U\(_{o}\)=0在t1时刻，当U\(_{i}\)由0上升到E时，Uo并不能立即上升到KE。这是由于电容两端电压不能跃变，需要靠给它充电来慢慢建立，随着电容两个电极上的电荷逐渐积累，电容两端的电压才能随之升高，因而需要一定时间U\(_{o}\)才能接近KE，见图3（c）中t1～t\(_{2}\)一段波形。同样，在t2时刻，当U\(_{i}\)由E下降到0的瞬间，Uo也不能立即下降到0。因为这时C\(_{o}\)两端已充有电压KE，电容两端电压不能跃变，还需要有一个放电的过程。随着放电电容两电极上的电荷逐渐减少，电容两端电压才能随之下降，经过一定时间才接近O，见图3（c）中t2之后一段的波形。这样，由于C\(_{o}\)的充放电作用就造成了输出脉冲波形上升沿及下降沿失真，Co越大这种失真就越严重。如何改善分压电路的波形失真呢？这就需要在分压电路中加入“加速电容”。

接有加速电容的分压电路如图4所示。并联在分压电阻R\(_{1}\)上的电容Cj即为加速电容。加速电容为什么能改善波形失真呢？从前面的分析中知道，U\(_{o}\)波形失真是由于Co充放电造成的，而充放电则需要一定的时间。在R\(_{1}\)上并联Cj之后，就能够使C\(_{o}\)充放电的时间大大缩短，因而使波形失真得到改善，见图5（b）。其过程如下：在to～t\(_{1}\)期间，Ui=0，C\(_{j}\)上电压为0。在t1时刻，U\(_{i}\)由0跃变到E的瞬间，由于Cj两端电压不能跃变仍保持为0，好象短路一样，于是就会有一个很大的充电电流流过C\(_{j}\)，这个电流同时流过R2C\(_{o}\)支路而对Co充电，使C\(_{o}\)充电电流加大，因而充电速度加快，使R2C\(_{o}\)支路两端电压很快上升到E，从而改善了输出脉冲波形上升沿的失真。在t1～t\(_{2}\)期间，Cj与C\(_{o}\)都已充电完毕，对输出波形无影响，Uo 的幅度仅取决于R\(_{1}\)与R2的分压比。此时，C\(_{i}\)与C0两端的电压分别等于R\(_{1}\)与R2两端的电压。在t\(_{2}\)时刻，Ui由E下降为0的瞬间，C\(_{j}\)两端电压也不能跃变到0，而要维持原来的电压（即R1上的电压），这个电压的极性是左边极板为正，右边极板为负，于是就通过信号源加到C\(_{o}\)两端对Co进行反向充电，从而大大加快了C\(_{o}\)的放电速度，使Co两端电压很快下降到0，因而改善了输出脉冲波形的下降沿失真。因为C\(_{j}\)对Co的充放电起到了“加速”的作用，所以称C\(_{j}\)为“加速电容”。

然而，并不是随便接上一只电容，就能起到改善波形失真的作用，C\(_{j}\)的取值必须恰到好处才行。由上面的分析不难看出，如果Cj选得过小，C\(_{o}\)的充电电流增加不大，“加速”作用不明显，不足以补偿原来上升沿及下降沿的失真，这种情况一般称为“欠补偿”，见图5（c）的波形。反之，如果Cj选得过大，C\(_{o}\)的充电电流增加太大，“加速”太快，对原来波形上升沿及下降沿补偿过头，就将出现另一种失真，这种情况称为“过补偿”，见图 5（d）的波形。

那么，如何求得加速电容的最佳值呢？为了解决这个问题，我们可以从改善分压电路的频率特性这个角度来分析加速电容的作用。从概念上讲，一个跃变信号可以理解为基波分量和许多谐波分量相叠加。只有当分压电路对所有这些分量都按照相同的分压比来分压时，输出信号中各分量之间才有可能保持原来的比例关系，输出波形才能与输入波形一致。

基于这种观点，我们就可以从频率特性方面重新来分析图4的电路。C\(_{j}\)的容抗Xj=1／2πfC\(_{j}\)，Co的容抗X\(_{o}\)=1／2πfCo。串联支路的阻抗则为R\(_{1}\)‖Xj，并联支路的阻抗为R\(_{2}\)∥Xo，于是分压电路的分压比K=R\(_{2}\)‖Xo／（R\(_{1}\)‖Xj1+R\(_{2}\)‖Xo）。在f较低时，C\(_{o}\)及Cj的容抗都很大，即X\(_{o}\)》R2；X\(_{j}\)》R1，则X\(_{o}\)‖R2≈ R\(_{2}\)；Xj‖R\(_{1}\)≈R1。C\(_{o}\)与Cj的影响均可忽略，此时K≈R\(_{2}\)／（R1+R\(_{2}\)），可看作R1与R\(_{2}\)两个电阻分压。随着f升高，Co与C\(_{j}\)的容抗都要减小，对电路的影响也越来越显著。显然，若不接入Cj，在f升高X\(_{o}\)下降时K就要下降。如果输入信号为跃变信号时，则会使输出脉冲信号中高次谐波分量幅度减小。因此图3（c）所示的由Co引起的脉冲上升沿及下降沿失真，如果从频率特性的角度来看，就是分压电路的高频失真。而在加入C\(_{j}\)之后，在f升高Xo减小的同时X\(_{j}\)也要减小，从而使K维持不变。这样，就补偿了输出脉冲信号中高次谐波分量幅度的减小。因此加速电容又常常被称为高频补偿电容。不难设想，在f很高时，Xo《R\(_{2}\)；Xj《R\(_{1}\)。则Xo‖R\(_{2}\)≈Xo；X\(_{j}\)‖R1≈X\(_{j}\)。则R1与R\(_{2}\)的作用可以忽略，K≈Xo／（X\(_{j}\)+Xo），此时分压电路变为C\(_{j}\)与Co这两个电容分压。由此我们就可以得到一个重要的结论：只要选择C\(_{j}\)使Cj与C\(_{o}\)的分压比恰好等于R1与R\(_{2}\)的分压比，就可以使分压比在任何频率下都保持为一个常量。即Xj／（X\(_{j}\)＋Xo）= C\(_{j}\)／（Cj＋C\(_{o}\)）=R2/ （R\(_{1}\)+R2）=K。这样，就可以推导出分压电路的最佳补偿条件为\(\frac{C}{_{j}}\)Co=R\(_{2}\);R1，加速电容C\(_{j}\)=

加速电容虽然可以通过计算求出，但在实际电路中，构成C\(_{o}\)的某些电容，例如输入电容、分布电容等都不容易得到准确值，因此计算的结果只能是约略值。实际中Cj通常是采用一个半可变电容器，在调机的过程中根据具体的波形失真情况，通过调整来确定。

在示波器的使用过程中，最好定期进行校验与测试。如果发现波形失真严重，就需要重新调整加速电容。下面以国产SR8型双踪示波器为例，说明加速电容的调整方法。

1．电路构成：图6是SR8型示波器Y轴输入减器的简化电路，这是现代通用型示波器衰减器的一般结构形式。按照本机Y轴放大器的设计，从放大器直接输入峰一峰值为10mV的信号电压时，在示波器屏幕上应显示出幅度为1diV（度）的波形（1div= 8mm高）。为了满足不同输入信号电压的要求，就要在输入端与放大器之间插入衰减器。

本机由六种基本分压电路按不同方式组合构成11个档位的衰减器。图6中仅选其中“×10”、“×2”两种分压电路组成4个档位的衰减器，来说明其工作原理。当开关置0.01V/div（即屏幕上每1度为0.01伏电压）档位时，输入信号不经过衰减直接输入Y轴放大器；当开关置0.02v/div档位时，输入信号经“×2”分压电路被衰减2倍输入Y轴放大器；当开关置0.1v／div档位时，输入信号经×10分压电路被衰减10倍输入Y轴放大器；当开关置0.2v／div档位时，输入信号经“×10”及“×2”两个分压电路被衰减20倍输入Y轴放大器。这样，在上述四种档位，分别从衰减器输入端输入10mv、20mv、100mv、200mv的信号电压时，Y轴放大器输入信号电压就能够始终保持为10mv，使屏幕上显示的波形幅度均为1div。

为了减小示波器输入阻抗对被测电路的影响，通常在示波器的输入端配备有探头，常用的为低电容探头。本机采用的为一种通用型探头，其外形如图7（a）所示。探头的结构为节筒式，由两段金属圆筒构成加速电容，通过旋转探头末端的两节圆筒的相对位置，改变两圆筒的相互覆盖面积，就可以获得所需要的最佳电容量。探头的等效电路如图7（b）所示，R\(_{1}\)为9MΩ电阻，C1为两节圆筒构成的加速电容。R\(_{1}\)、C1与示波器的输入电阻（1MΩ）及输入电容（50PF）构成分压比K=110的分压电路。调整C\(_{1}\)可以达到最佳补偿状态。由于采用探头方式输入，示波器的输入电阻可以提高到10MΩ左右，输入电容降低到小于15PF。

2．调整步骤及方法：在调整分压电路的特性之前，首先应校验各档位的衰减量以及Y轴放大器本身的特性，使其满足要求。校验调整分压电路应按下列步骤进行：（1）校验0.01v/div档位，若波形失真较大，则应调整Y轴放大器中的有关元件；（2）校验0.02v／div档位。调C\(_{5}\)使波形失真符合要求；（3）核验0.1v/div档位。调C2使波形失真符合要求；（4）校验0.2v／div档位。必要时重新调整C\(_{5}\)、C2使波形失真符合要求。由于采用串联衰减，有些加速电容调整中会互相牵制，应注意全面兼顾。

最后进行探头调整。其步骤如下：（1）在0.01v／div档位，调探头的加速电容C\(_{1}\)使波形失真满足要求；（2）在0.02v/div档位，调图6中的C4使波形失真符合要求；（3）在0.1v/div档位，调图6中的C\(_{1}\)使波形失真符合要求。这里C1、C\(_{4}\)的作用是补偿分压电路的输入电容，使衰减器在各档位时，输入电容均与0.01v/div档位的输入电容相同（对双踪示波器还要求两个通道的输入电容相同）。显然，上述几档调好之后，0.2v/div档位一般就不必再调了。

调整的具体方法是在Y轴输入端或探头输入端输入一个失真很小的方波，调整方波输出幅度使屏幕上显示出5～6div的波形。若显示的波形如图5（b）所示，失真很小，则说明加速电容已处在最佳状态，不必重新调整；若所显示的波形如图5（c）所示的欠补偿波形，则需调大加速电容；若所显示的波形如图5（d）所示的过补偿波形，则需调小加速电容。直至在各档位上，无论在接与不接探头的情况下，都能显示出失真很小的波形时即告调整完毕。（刘铁夫）