選擇示波器探頭時(shí)常犯的錯(cuò)誤（上）

大多數(shù)工程師低估了探頭的重要性。沒有探頭，示波器就不能發(fā)揮任何作用。探頭使您能夠觀察被測(cè)設(shè)備（DUT）現(xiàn)狀。目前，市場(chǎng)上有數(shù)百個(gè)探頭可供選擇，但為您的特定測(cè)量選擇合適的探頭以獲得準(zhǔn)確的觀測(cè)結(jié)果是非常重要的。許多工程師認(rèn)為示波器標(biāo)配的無源探頭足夠好，但事實(shí)并非如此。如果您的應(yīng)用程序使用了錯(cuò)誤的示波器探頭，則可能會(huì)錯(cuò)過重要事件，得到錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。

使用何種示波器探頭的探測(cè)方法，對(duì)您在屏幕上看到的測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。在進(jìn)行測(cè)量之前，您應(yīng)該主動(dòng)了解其他工程師過去出現(xiàn)的錯(cuò)誤，從中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：

如果您不知道應(yīng)該關(guān)注示波器探頭的哪些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，那么就不可能確定自己的需求。技術(shù)資料通常包含大量數(shù)字列表。哪些才是您需要關(guān)注的？

人們最熟悉的技術(shù)指標(biāo)就是帶寬。探頭的帶寬范圍從直流一直到大約30 GHz。對(duì)帶寬的一個(gè)常見誤解是以為帶寬越大，可以看到的數(shù)據(jù)就越多。但事實(shí)并非總是如此。隨著帶寬的增加，許多關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都會(huì)發(fā)生變化，它們也是需要考慮的重要因素。

圖2.不斷提高的帶寬如何影響其他關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

噪聲在各個(gè)頻率之間均勻分布。這意味著探頭帶寬越高，引入的頻率越多，進(jìn)入信號(hào)的噪聲也越多。為了防止發(fā)生這種情況，您應(yīng)該根據(jù)下一節(jié)中介紹的計(jì)算方法，只使用需要的帶寬。而且，還需要借助更專業(yè)化的探頭來測(cè)量更高頻率。當(dāng)然，這需要加大開發(fā)力度，才能為敏感元件創(chuàng)造出如此專業(yè)化但成本較高的產(chǎn)品。使用帶寬超過需求的探頭可能會(huì)帶來額外的成本、工作量和噪聲，這些要素可能會(huì)大大地影響您的測(cè)量結(jié)果。

各類探頭都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，對(duì)于您所進(jìn)行的特定測(cè)試，您需要選擇更合適的探頭。充分理解關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，理解其對(duì)您的意義，將使探頭選型變得更加容易。我們認(rèn)為，與其查看技術(shù)資料中那些冗長(zhǎng)的技術(shù)指標(biāo)列表，不如研究文檔其余部分更重要。

第2個(gè)錯(cuò)誤：選擇的探頭帶寬不合適

如果使用的探頭帶寬不正確，那么您可能會(huì)遺失信號(hào)細(xì)節(jié)，或者為系統(tǒng)引入不必要的噪聲。為了加深理解，我們先來討論帶寬的意義。探頭帶寬本質(zhì)上就是3 dB點(diǎn)。3 dB點(diǎn)是指探頭輸出相對(duì)于標(biāo)稱響應(yīng)減少3 dB時(shí)的頻率。

圖3.3 dB點(diǎn)的顯示結(jié)果。

假設(shè)用1:1探頭測(cè)量1 Vpp的低頻正弦波。由于您使用的是1:1探頭，因此進(jìn)入示波器的探頭輸出將等于設(shè)備輸入探頭的實(shí)際信號(hào)。但是，如果繼續(xù)增加此1 Vpp信號(hào)的頻率，那么最終您將到達(dá)一個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)上探頭輸出遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入探頭的實(shí)際信號(hào)。當(dāng)您

看到示波器屏幕上的輸出相對(duì)于1 Vpp輸入降為0.7 Vpp時(shí)，那么就表示您到達(dá)了3 dB點(diǎn)，因?yàn)橄鄬?duì)于其標(biāo)稱響應(yīng)，輸出減少了3 dB。

圖4.隨著頻率增加出現(xiàn)3 dB點(diǎn)的示例。

現(xiàn)在您已經(jīng)了解了3 dB點(diǎn)理論，您可以利用它來改善測(cè)試。選擇適合探頭的第一步是了解信號(hào)的帶寬。要確定信號(hào)帶寬（BW），可以使用以下簡(jiǎn)單公式：如果我們測(cè)量的是10％和90％的閾值，則信號(hào)帶寬等于上升時(shí)間除以0.35。如果測(cè)量的是20％和80％的閾值，則信號(hào)帶寬等于上升時(shí)間除以0.22。

計(jì)算完信號(hào)帶寬后，可根據(jù)以下兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)選擇探頭帶寬：

–探頭帶寬應(yīng)該比模擬應(yīng)用中最快的正弦波頻率高3倍

–探頭帶寬應(yīng)該比數(shù)字應(yīng)用的最高數(shù)字時(shí)鐘速率快5倍

根據(jù)這些快速計(jì)算方法，您可以大致確定何種探頭帶寬適合您的應(yīng)用。隨著上升時(shí)間加快，信號(hào)帶寬隨之增加，這意味著您需要帶寬更高的探頭。但請(qǐng)記住，帶寬過高也會(huì)帶來麻煩。

另一種考慮帶寬的方法是以諧波為基礎(chǔ)。一般而言，探頭帶寬越高，捕捉到的諧波越多，二者都會(huì)使信號(hào)精度稍有提高。如下面圖5所示，原始信號(hào)為黃色跡線，一階諧波為綠色跡線。您可以看到，它們具有相同的周期和占空比，但一階諧波的上升沿明顯較慢，并且拐角非常圓滑。藍(lán)色跡線顯示一階和三階諧波，其上升沿較快，角點(diǎn)變得更清晰。但在圖像的底部，我們可以看到一階、三階和五階諧波。其邊沿平緩，拐角銳利，信號(hào)頂部和底部有很多細(xì)節(jié)。帶寬越高，波形將顯露出越多的細(xì)節(jié)。

圖5.更高的帶寬意味著更多諧波及更豐富的信號(hào)細(xì)節(jié)。

了解了上面的規(guī)律，我們來看一個(gè)用100 MHz探頭測(cè)量100 MHz時(shí)鐘的例子。完成這個(gè)測(cè)量后，您最終將會(huì)在屏幕上看到如圖6所示的正弦波。因此，您無法得到準(zhǔn)確的上升時(shí)間或任何真正的信號(hào)細(xì)節(jié)。這意味著您所做的任何測(cè)量都是不準(zhǔn)確的，毫無意義。

圖6.使用100 MHz探頭測(cè)量100 MHz時(shí)鐘信號(hào)。

但是，如果使用500 MHz探頭測(cè)量相同的100 MHz信號(hào)，您就會(huì)有足夠的帶寬來捕獲更多的諧波，從而得到更精確的信號(hào)表示。

圖7.使用500 MHz探頭測(cè)量100 MHz時(shí)鐘信號(hào)。

由此可見，為您要處理的信號(hào)選擇合適的探頭帶寬是多么重要。但帶寬過高也不好，過猶不及。在確定多大帶寬適合您的應(yīng)用并選擇正確的探頭時(shí)，這些理論和快速計(jì)算方法可以幫助您不犯錯(cuò)誤。

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審核編輯：湯梓紅