示波器探頭對(duì)測(cè)量帶寬的影響

帶寬定義為幅度與頻率圖上測(cè)量系統(tǒng)比參考電平低3dB的點(diǎn)，如圖4.7所示，這說(shuō)明了表明3dB點(diǎn)的響應(yīng)曲線。

4.7.帶寬定義為響應(yīng)曲線中幅度下降-3dB的頻率

必需指出，測(cè)量系統(tǒng)在額定帶寬上的幅度低3dB。這意味著您可以預(yù)計(jì)帶寬極限上的頻率，幅度測(cè)量會(huì)有30%的誤差。

通常情況下，用戶不會(huì)以全部帶寬極限使用示波器。但是，如果幅度精度至關(guān)重要，應(yīng)準(zhǔn)備相應(yīng)地降低示波器的額定帶寬。

例如，考慮一下圖4.8中所示的帶寬滾降的擴(kuò)展圖。這個(gè)圖中的水平標(biāo)度說(shuō)明了獲得好于30%的幅度精度所需的額定值下降系數(shù)。如果沒(méi)有額定值下降系數(shù)(系數(shù)為1.0)，100MHz示波器在100MHz的幅度誤差將高達(dá)30%。如果您希望幅度測(cè)量落在3%范圍內(nèi)，這臺(tái)示波器的帶寬必須以0.3系數(shù)下降至30MHz。在頻率超過(guò)30MHz時(shí)，幅度誤差將超過(guò)3%。

4.8.額定帶寬下降曲線

上面的實(shí)例指明了示波器選型的整體經(jīng)驗(yàn)法則。對(duì)3%以內(nèi)的幅度測(cè)量，應(yīng)選擇指定帶寬比測(cè)量的最高頻率波形高3-5倍的示波器。

在上升時(shí)間或下降時(shí)間是主要指標(biāo)時(shí)，可以使用下述公式把示波器的帶寬(BW)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成上升時(shí)間

指標(biāo)：

Tr≈0.35/BW

或?yàn)榉奖闫鹨?jiàn)：

Tr(ns)≈350/BW(MHz)

與帶寬一樣，應(yīng)該選擇上升時(shí)間比預(yù)計(jì)測(cè)量的最快上升時(shí)間快3-5倍的示波器。(應(yīng)該指出，上面的帶寬到上升時(shí)間轉(zhuǎn)換假設(shè)示波器的響應(yīng)為高斯?jié)L降。大多數(shù)示波器是為高斯?jié)L降的響應(yīng)而設(shè)計(jì)的。)

示波器探頭帶寬

與其它電路一樣，所有示波器都有帶寬極限。此外，與示波器一樣，示波器探頭的性能一般取決于帶寬。因此，帶寬為100MHz的示波器在100MHz點(diǎn)上的幅度響應(yīng)低于3dB。

類似的，示波器探頭帶寬也可以用示波器使用的同一公式表示(Tr≈0.35/BW)。此外，對(duì)有源探頭，可以使用下述公式組合示波器和探頭上升時(shí)間，獲得近似的探頭/示波器系統(tǒng)的上升時(shí)間：

Trsystem2≈Trprobe2+Trscope2

對(duì)無(wú)源探頭，這一關(guān)系比較復(fù)雜，不應(yīng)使用上面的公式。

一般來(lái)說(shuō)，探頭帶寬應(yīng)一直等于或超過(guò)將使用的示波器的帶寬。如果使用的探頭帶寬太低，會(huì)限制示波器實(shí)現(xiàn)全部測(cè)量功能。圖4.9進(jìn)一步說(shuō)明了這一點(diǎn)，其中顯示了使用三種不同帶寬的探頭測(cè)量的同一脈沖跳變。

4.9.對(duì)三種不同示波器探頭的上升時(shí)間的影響：(a)400MHz,10X探頭；(b)100MHz,10X探頭；(c)10MHz,1X探頭。所有測(cè)量都使用同一臺(tái)400MHz示波器完成

如圖4.9a所示，第一個(gè)測(cè)量是使用匹配的400MHz示波器和探頭組合進(jìn)行。使用的探頭是10兆歐電阻和14.1pF電容的10X探頭。注意，測(cè)得的脈沖上升時(shí)間是4.63ns。這很好地落在400MHz示波器/探頭組合的875ps上升時(shí)間范圍內(nèi)。

現(xiàn)在看一下使用同一示波器、使用10X,100MHz探頭測(cè)量同一脈沖時(shí)發(fā)生的情況，如圖4.9b所示，現(xiàn)在測(cè)得的上升時(shí)間是5.97ns。這比以前測(cè)得的4.63ns提高了近30%！

根據(jù)預(yù)期，在使用帶寬較低的探頭時(shí)，觀察到的脈沖上升時(shí)間會(huì)變得更長(zhǎng)。極端實(shí)例如圖4.9c所示，其中在同一脈沖上使用1X,10MHz探頭。這里，上升時(shí)間已經(jīng)從原來(lái)的4.63ns下降到27ns。

圖4.9得到的一個(gè)主要結(jié)論是：并不是任何探頭都能做到這一點(diǎn)！

為實(shí)現(xiàn)任何示波器的最大性能，也是花錢購(gòu)買的性能，一定要使用制造商推薦的探頭。

到示波器探頭尖端的帶寬

一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)制造商的下述規(guī)范和建議應(yīng)能夠解決探頭帶寬及得到的探頭/示波器系統(tǒng)帶寬。例如，泰克規(guī)定了探頭在規(guī)定極限內(nèi)工作的帶寬。這些極限包括整體畸變、上升時(shí)間和掃描帶寬。

另外，在與兼容的示波器使用時(shí)，泰克探頭把示波器的帶寬擴(kuò)展到探頭尖端。例如，在與兼容的100MHz示波器使用時(shí)，泰克100MHz探頭在探頭尖端上提供了100MHz的性能(-3dB)。

圖4.10中的等效電路說(shuō)明了為檢驗(yàn)到探頭尖端的帶寬而使用的業(yè)內(nèi)公認(rèn)的測(cè)試設(shè)置。測(cè)試信號(hào)源指定的信號(hào)源阻抗為50歐姆，端接在50歐姆電阻中，導(dǎo)致等效的25歐姆源端子阻抗。此外，探頭必須使用探頭頭部到BNC適配器或同等設(shè)備連接到信號(hào)源上。探頭連接的后一種要求保證了最短的接地通路。

4.10.測(cè)試到探頭尖端的帶寬使用的等效電路。對(duì)100MHz系統(tǒng)，顯示的上升時(shí)間應(yīng)該為3.5ns或更快

在使用上面介紹的測(cè)試設(shè)置時(shí)，100MHz示波器/探頭組合應(yīng)導(dǎo)致觀察到的上升時(shí)間<3.5ns。根據(jù)前面討論的帶寬/上升時(shí)間關(guān)系(Tr≈0.35/BW)，這一3.5ns上升時(shí)間與100MHz帶寬對(duì)應(yīng)。對(duì)包括標(biāo)準(zhǔn)配套探頭的通用示波器，大多數(shù)制造商承諾、并在探頭尖端上提供了宣稱的示波器帶寬。

但是，要記住探頭尖端上的帶寬取決于圖4.10中的測(cè)試方法。由于實(shí)際環(huán)境信號(hào)很少是從25歐姆信號(hào)源發(fā)出的，因此在實(shí)際環(huán)境中預(yù)計(jì)響應(yīng)和帶寬都要在一定程度上低于最優(yōu)水平，在測(cè)量更高的阻抗電路尤其如此。

地線影響

在進(jìn)行參考接地的測(cè)量時(shí)，必需有兩條到被測(cè)電路或被測(cè)器件的連接。一條連接通過(guò)探頭完成，探頭傳感被測(cè)的其它參數(shù)的電壓。另一條必需的連接是通過(guò)示波器返回接地，連回到被測(cè)電路上。為完成測(cè)量電流通路，必需實(shí)現(xiàn)接地回路。

在被測(cè)電路和示波器插入同一個(gè)電源插座電路中時(shí)，電力電路的公共電位提供了一條接地回路。通過(guò)電源接地的這條信號(hào)回路一般是間接的，長(zhǎng)度很長(zhǎng)。結(jié)果，不能象干凈的低電感接地回路那樣依賴這條信號(hào)回路。

一般來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行任何類型的示波器測(cè)量時(shí)，應(yīng)使用最短的接地路徑。最終的接地系統(tǒng)是一個(gè)在線ECB(蝕刻電路板)到探頭頭部適配器，如圖4.11所示。ECB適配器允許把探頭尖端直接插入電路測(cè)試點(diǎn)中，適配器的外桶應(yīng)與探頭頭部的接地環(huán)形成直接的、短的接地接觸。對(duì)關(guān)鍵幅度和定時(shí)測(cè)量，建議電路板設(shè)計(jì)中對(duì)已建立的測(cè)試點(diǎn)包括ECB/探頭頭部適配器。這不僅清楚地表明測(cè)試點(diǎn)位置，而且保證了可以最好地連接測(cè)試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最可靠的示波器測(cè)量。

4.11.ECB到示波器探頭頭部適配器