帶 寬 考 慮 因 素

帶寬是同時(shí)涉及探頭帶寬和示波器帶寬的測量系統(tǒng)問題。示波器的帶寬應(yīng)超過要測量的信號(hào)的主要頻率，使用的探頭帶寬應(yīng)等于或超過示波器的帶寬。

從測量系統(tǒng)角度看，實(shí)際問題是探頭頭部的帶寬。制造商通常對(duì)某些示波器/探頭組合指定探頭頭部帶寬。但情況并不是一直如此。結(jié)果，您應(yīng)該知道示波器和探頭的主要帶寬問題，包括各個(gè)示波器和探頭的帶寬及綜合在一起的帶寬。

示 波 器 帶 寬

帶寬定義為幅度與頻率圖上測量系統(tǒng)比參考電平低 3dB 的點(diǎn)，如圖1所示，這說明了表明 3 dB 點(diǎn)的響應(yīng)曲線。

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

圖1. 帶寬定義為響應(yīng)曲線中幅度下降 -3 dB 的頻率

圖2. 額定帶寬下降曲線。

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2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)。如果沒有額定值下降系數(shù) ( 系 數(shù)為 1.0)，100 MHz 示波器在 100 MHz 的幅度誤差將 高達(dá) 30%。如果您希望幅度測量落在 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 30 MHz。在頻 率超過 30 MHz 時(shí)，幅度誤差將超過 3%。

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)的幅度測量，應(yīng)選擇指定帶寬比測量的最高頻率 波形高 3-5 倍的示波器。

圖3. 對(duì)三種不同探頭的上升時(shí)間的影響：(a) 400 MHz, 10X 探頭;(b) 100 MHz, 10X 探頭;(c) 10 MHz, 1X 探頭。所有測量都使用同一臺(tái) 400 MHz 示波器完成。

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)榉奖闫鹨姡?/p>

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。)

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，探頭的性能一般取決于帶寬。因此，帶寬為 100 MHz 的示波器在 100 MHz 點(diǎn)上的幅度響應(yīng)低于 3 dB。

類似的，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。

一般來說，探頭帶寬應(yīng)一直等于或超過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)全部測量功能。圖3 進(jìn)一步說明了這一點(diǎn)，其中顯示了使用三種不同帶寬的探頭測量的同一脈沖跳變。

如圖3a 所示，第一個(gè)測量是使用匹配的 400 MHz示波器和探頭組合進(jìn)行。使用的探頭是 10 兆歐電阻和 14.1 pF 電容的 10X 探頭。注意，測得的脈沖上升時(shí)間是 4.63 ns。這很好地落在 400 MHz 示波器 / 探頭組合的 875 ps 上升時(shí)間范圍內(nèi)。

如圖3a 所示，第一個(gè)測量是使用匹配的 400 MHz示波器和探頭組合進(jìn)行。使用的探頭是 10 兆歐電阻和 14.1 pF 電容的 10X 探頭。注意，測得的脈沖上升時(shí)間是 4.63 ns。這很好地落在 400 MHz 示波器 / 探頭組合的 875 ps 上升時(shí)間范圍內(nèi)。

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。極端實(shí)例如圖3c 所示，其中在同一脈沖上使用 1X, 10 MHz 探頭。這里，上升時(shí)間已經(jīng)從原來的 4.63 ns 下降到 27 ns。

圖3 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，也是花錢購買的性能，一定要使用制造商推薦的探頭。

圖4. 測試到探頭尖端的帶寬使用的等效電路。對(duì) 100 MHz 系統(tǒng)，顯示的上升時(shí)間應(yīng)該為 3.5 ns 或更快。

到 探 頭 尖 端 的 帶 寬

一般來說，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 100 MHz示波器使用時(shí)，泰克 100 MHz 探頭在探頭尖端上提供了 100 MHz 的性能 (-3 dB)。

圖4 中的等效電路說明了為檢驗(yàn)到探頭尖端的帶寬而使用的業(yè)內(nèi)公認(rèn)的測試設(shè)置。測試信號(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。

在使用上面介紹的測試設(shè)置時(shí)，100 MHz 示波器 / 探頭組合應(yīng)導(dǎo)致觀察到的上升時(shí)間 <3.5 ns。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 100 MHz 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中的測試方法。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，在測量更高的阻抗電路尤其如此。

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審核編輯 黃宇