示波器探头对测量带宽的影响

　　带宽定义为幅度与频率图上测量系统比参考电平低3dB的点，如图4.7所示，这说明了表明3dB点的响应曲线。

　　4.7.带宽定义为响应曲线中幅度下降-3dB的频率

　　必需指出，测量系统在额定带宽上的幅度低3dB。这意味着您可以预计带宽极限上的频率，幅度测量会有30%的误差。

　　通常情况下，用户不会以全部带宽极限使用示波器。但是，如果幅度精度至关重要，应准备相应地降低示波器的额定带宽。

　　例如，考虑一下图4.8中所示的带宽滚降的扩展图。这个图中的水平标度说明了获得好于30%的幅度精度所需的额定值下降系数。如果没有额定值下降系数(系数为1.0)，100MHz示波器在100MHz的幅度误差将高达30%。如果您希望幅度测量落在3%范围内，这台示波器的带宽必须以0.3系数下降至30MHz。在频率超过30MHz时，幅度误差将超过3%。

　　4.8.额定带宽下降曲线

　　上面的实例指明了示波器选型的整体经验法则。对3%以内的幅度测量，应选择指定带宽比测量的最高频率波形高3-5倍的示波器。

　　在上升时间或下降时间是主要指标时，可以使用下述公式把示波器的带宽(BW)指标转换成上升时间

　　指标：

　　Tr≈0.35/BW

　　或为方便起见：

　　Tr(ns)≈350/BW(MHz)

　　与带宽一样，应该选择上升时间比预计测量的最快上升时间快3-5倍的示波器。(应该指出，上面的带宽到上升时间转换假设示波器的响应为高斯滚降。大多数示波器是为高斯滚降的响应而设计的。)

　　示波器探头带宽

　　与其它电路一样，所有示波器都有带宽极限。此外，与示波器一样，示波器探头的性能一般取决于带宽。因此，带宽为100MHz的示波器在100MHz点上的幅度响应低于3dB。

　　类似的，示波器探头带宽也可以用示波器使用的同一公式表示(Tr≈0.35/BW)。此外，对有源探头，可以使用下述公式组合示波器和探头上升时间，获得近似的探头/示波器系统的上升时间：

　　Trsystem2≈Trprobe2+Trscope2

　　对无源探头，这一关系比较复杂，不应使用上面的公式。

　　一般来说，探头带宽应一直等于或超过将使用的示波器的带宽。如果使用的探头带宽太低，会限制示波器实现全部测量功能。图4.9进一步说明了这一点，其中显示了使用三种不同带宽的探头测量的同一脉冲跳变。

　　4.9.对三种不同示波器探头的上升时间的影响：(a)400MHz,10X探头;(b)100MHz,10X探头;(c)10MHz,1X探头。所有测量都使用同一台400MHz示波器完成

　　如图4.9a所示，第一个测量是使用匹配的400MHz示波器和探头组合进行。使用的探头是10兆欧电阻和14.1pF电容的10X探头。注意，测得的脉冲上升时间是4.63ns。这很好地落在400MHz示波器/探头组合的875ps上升时间范围内。

　　现在看一下使用同一示波器、使用10X,100MHz探头测量同一脉冲时发生的情况，如图4.9b所示，现在测得的上升时间是5.97ns。这比以前测得的4.63ns提高了近30%!

　　根据预期，在使用带宽较低的探头时，观察到的脉冲上升时间会变得更长。极端实例如图4.9c所示，其中在同一脉冲上使用1X,10MHz探头。这里，上升时间已经从原来的4.63ns下降到27ns。

　　图4.9得到的一个主要结论是：并不是任何探头都能做到这一点!

　　为实现任何示波器的最大性能，也是花钱购买的性能，一定要使用制造商推荐的探头。

　　到示波器探头尖端的带宽

　　一般来说，根据制造商的下述规范和建议应能够解决探头带宽及得到的探头/示波器系统带宽。例如，泰克规定了探头在规定极限内工作的带宽。这些极限包括整体畸变、上升时间和扫描带宽。

　　另外，在与兼容的示波器使用时，泰克探头把示波器的带宽扩展到探头尖端。例如，在与兼容的100MHz示波器使用时，泰克100MHz探头在探头尖端上提供了100MHz的性能(-3dB)。

　　图4.10中的等效电路说明了为检验到探头尖端的带宽而使用的业内公认的测试设置。测试信号源指定的信号源阻抗为50欧姆，端接在50欧姆电阻中，导致等效的25欧姆源端子阻抗。此外，探头必须使用探头头部到BNC适配器或同等设备连接到信号源上。探头连接的后一种要求保证了最短的接地通路。

　　4.10.测试到探头尖端的带宽使用的等效电路。对100MHz系统，显示的上升时间应该为3.5ns或更快

　　在使用上面介绍的测试设置时，100MHz示波器/探头组合应导致观察到的上升时间<3.5ns。根据前面讨论的带宽/上升时间关系(Tr≈0.35/BW)，这一3.5ns上升时间与100MHz带宽对应。对包括标准配套探头的通用示波器，大多数制造商承诺、并在探头尖端上提供了宣称的示波器带宽。

　　但是，要记住探头尖端上的带宽取决于图4.10中的测试方法。由于实际环境信号很少是从25欧姆信号源发出的，因此在实际环境中预计响应和带宽都要在一定程度上低于最优水平，在测量更高的阻抗电路尤其如此。

　　地线影响

　　在进行参考接地的测量时，必需有两条到被测电路或被测器件的连接。一条连接通过探头完成，探头传感被测的其它参数的电压。另一条必需的连接是通过示波器返回接地，连回到被测电路上。为完成测量电流通路，必需实现接地回路。

　　在被测电路和示波器插入同一个电源插座电路中时，电力电路的公共电位提供了一条接地回路。通过电源接地的这条信号回路一般是间接的，长度很长。结果，不能象干净的低电感接地回路那样依赖这条信号回路。

　　一般来说，在进行任何类型的示波器测量时，应使用最短的接地路径。最终的接地系统是一个在线ECB(蚀刻电路板)到探头头部适配器，如图4.11所示。ECB适配器允许把探头尖端直接插入电路测试点中，适配器的外桶应与探头头部的接地环形成直接的、短的接地接触。对关键幅度和定时测量，建议电路板设计中对已建立的测试点包括ECB/探头头部适配器。这不仅清楚地表明测试点位置，而且保证了可以最好地连接测试点，实现最可靠的示波器测量。

　　4.11.ECB到示波器探头头部适配器