示波器探頭帶寬對測量結果的影響

在現代電子測試測量領域中，示波器無疑是一 種應用十分廣泛的電子測量儀器。它經過模擬時代、 簡單測量的數字存儲時代，已經發展成為現代的一 種非常實用的時域波形分析工具，具有波形捕獲、 參數計算、數據分析、抖動分析、誤碼率分析等諸 多功能。但在實際的測試測量工作中，人們很可能忽略了與之配套使用的示波器探頭。因為示波器探頭與示波器組成了最終所使用的測量系統，因此必須以整體的觀念對整個測量系統有一個清楚的認識。如果所使用的示波器和配套使用的示波器探頭選擇不當，可能會給測量結果帶來一定的風險。

1、示波器的結構與組成

2、帶寬

示波器的結構決定了示波器帶寬的重要性。放大器是被測信號進入示波器的大門，所以前端放大器件的帶寬決定了示波器的帶寬。示波器通道模擬帶寬的定義為，測量等幅掃頻信號時幅頻特性下降到 -3 dB 時（70.7%）對應的頻率范圍，如圖 2 所示。

圖 2　帶寬示意圖

3　示波器探頭帶寬與示波器及被測信號之間的關聯

探頭也是儀器，與示波器一樣也具有有限的模擬帶寬，并與示波器共同組成一個測量系統。 這個測量系統的總體帶寬由示波器主機帶寬和探 頭帶寬共同決定。這一系統帶寬將影響被測信號如正弦波、脈沖和方波幅度以及上升時間的測量準確度。

可以用更專業的數學公式表明這種關聯性：

式中：tr顯示 —— 實際測量到的信號上升時間，等于 示波器上升時間、探頭上升時間以及被測信號上升 時間三者的均方根

系統的上升時間與帶寬的乘積為一常數，對系 統函數為 1 階的模型而言，該常數經驗值為 0.35, 對 于更高階的模型該常數介于 0.35 ~ 0.5 之間。可以推 導出這四個帶寬之間的關系。如果示波器和探頭各 自的帶寬均為 100 MHz，則上升時間均為 = 3.5 ns。 則整個測量系統上升時間就由下式給出：

由 4.95 ns 的測量系統上升時間可以知道系統帶 寬為 3.5/4.95 ns = 70.7 MHz。

從以上分析不難看出：如果使用一臺 100 MHz 的示波器和一個 100 MHz 的探頭組成一個測量系統， 那么它們所組成的系統帶寬接近 70 MHz，實際是小 于 100 MHz 的。其內在的因素是因為探頭的電容和 示波器的輸入電容相加，使得整個測量系統的輸入 電容變得更大，這樣大大降低了整個系統帶寬，同 時也加大了示波器屏幕上所顯示信號的上升時間 。 可以繼續討論由此帶來的測量誤差大小。

為了改善和提高測量準確度，只有提高測量系 統帶寬。如選擇比信號上升時間高 5 倍的示波器， 即選擇帶寬為 500 MHz 的示波器及帶寬 500 MHz 的 探頭組成的測量系統。

同樣可以得到如表 1 所示的測量誤差結果。

4、結語

從上述的計算分析可以看出，整個測量系統帶 寬不足會引起上升時間變慢和測量幅度衰減。為了 更加準確地測量被測信號的上升或下降時間，還原 被測信號的實際幅值，示波器必須有足夠快的上升 時間。一般情況下，示波器的帶寬應該比被測信號 波形的頻率大 5 倍，這就是通常所說的示波器帶寬 選擇的 5 倍法則。此外可以發現，如果探頭帶寬遠 高于示波器主機帶寬，那么整個測量系統帶寬就越 接近示波器主機帶寬，因此用戶應盡可能配備高帶 寬的探頭和示波器，以提升整個系統帶寬，使測量 結果更接近于真實值。

參考文獻：

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