示波器和探头带宽选择的重要性

带 宽 考 虑 因 素

带宽是同时涉及探头带宽和示波器带宽的测量系统问题。示波器的带宽应超过要测量的信号的主要频率，使用的探头带宽应等于或超过示波器的带宽。

从测量系统角度看，实际问题是探头头部的带宽。制造商通常对某些示波器/探头组合指定探头头部带宽。但情况并不是一直如此。结果，您应该知道示波器和探头的主要带宽问题，包括各个示波器和探头的带宽及综合在一起的带宽。

示 波 器 带 宽

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1所示，这说明了表明 3 dB 点的响应曲线。

必需指出，测量系统在额定带宽上的幅度低 3 dB。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。

图1. 带宽定义为响应曲线中幅度下降 -3 dB 的频率

图2. 额定带宽下降曲线。

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2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)，100 MHz 示波器在 100 MHz 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 30 MHz。在频 率超过 30 MHz 时，幅度误差将超过 3%。

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。

图3. 对三种不同探头的上升时间的影响：(a) 400 MHz, 10X 探头;(b) 100 MHz, 10X 探头;(c) 10 MHz, 1X 探头。所有测量都使用同一台 400 MHz 示波器完成。

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。)

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，探头的性能一般取决于带宽。因此，带宽为 100 MHz 的示波器在 100 MHz 点上的幅度响应低于 3 dB。

类似的，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3 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。

如图3a 所示，第一个测量是使用匹配的 400 MHz示波器和探头组合进行。使用的探头是 10 兆欧电阻和 14.1 pF 电容的 10X 探头。注意，测得的脉冲上升时间是 4.63 ns。这很好地落在 400 MHz 示波器 / 探头组合的 875 ps 上升时间范围内。

如图3a 所示，第一个测量是使用匹配的 400 MHz示波器和探头组合进行。使用的探头是 10 兆欧电阻和 14.1 pF 电容的 10X 探头。注意，测得的脉冲上升时间是 4.63 ns。这很好地落在 400 MHz 示波器 / 探头组合的 875 ps 上升时间范围内。

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3c 所示，其中在同一脉冲上使用 1X, 10 MHz 探头。这里，上升时间已经从原来的 4.63 ns 下降到 27 ns。

图3 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。

图4. 测试到探头尖端的带宽使用的等效电路。对 100 MHz 系统，显示的上升时间应该为 3.5 ns 或更快。

到 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 100 MHz示波器使用时，泰克 100 MHz 探头在探头尖端上提供了 100 MHz 的性能 (-3 dB)。

图4 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。

在使用上面介绍的测试设置时，100 MHz 示波器 / 探头组合应导致观察到的上升时间 <3.5 ns。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 100 MHz 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。

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审核编辑 黄宇