胡曉英 / 廈門市計(jì)量檢定測試院

示波器探頭帶寬對測量結(jié)果的影響

胡曉英 / 廈門市計(jì)量檢定測試院

0 引言

在現(xiàn)代電子測試測量領(lǐng)域中，示波器無疑是一種應(yīng)用十分廣泛的電子測量儀器。它經(jīng)過模擬時(shí)代、簡單測量的數(shù)字存儲時(shí)代，已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代的一種非常實(shí)用的時(shí)域波形分析工具，具有波形捕獲、參數(shù)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、抖動(dòng)分析、誤碼率分析等諸多功能。但在實(shí)際的測試測量工作中，人們很可能忽略了與之配套使用的探頭。因?yàn)樘筋^與示波器組成了最終所使用的測量系統(tǒng)，因此必須以整體的觀念對整個(gè)測量系統(tǒng)有一個(gè)清楚的認(rèn)識。如果所使用的示波器和配套使用的探頭選擇不當(dāng)，可能會給測量結(jié)果帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。

1 示波器的結(jié)構(gòu)與組成

示波器的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 示波器的組成

2 帶寬

示波器的結(jié)構(gòu)決定了示波器帶寬的重要性。放大器是被測信號進(jìn)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(shí)幅頻特性下降到-3 dB時(shí)（70.7%）對應(yīng)的頻率范圍，如圖2所示。

圖2 帶寬示意圖

3 探頭帶寬與示波器及被測信號之間的關(guān)聯(lián)

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(gè)測量系統(tǒng)。這個(gè)測量系統(tǒng)的總體帶寬由示波器主機(jī)帶寬和探頭帶寬共同決定。這一系統(tǒng)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(shí)間的測量準(zhǔn)確度。

可以用更專業(yè)的數(shù)學(xué)公式表明這種關(guān)聯(lián)性：

BW —— 帶寬

系統(tǒng)的上升時(shí)間與帶寬的乘積為一常數(shù)，對系統(tǒng)函數(shù)為1階的模型而言，該常數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為0.35，對于更高階的模型該常數(shù)介于0.35 ～ 0.5之間。可以推導(dǎo)出這四個(gè)帶寬之間的關(guān)系。如果示波器和探頭各自的帶寬均為100 MHz，則上升時(shí)間均為。則整個(gè)測量系統(tǒng)上升時(shí)間就由下式給出：

由4.95 ns的測量系統(tǒng)上升時(shí)間可以知道系統(tǒng)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(gè)100 MHz的探頭組成一個(gè)測量系統(tǒng)，那么它們所組成的系統(tǒng)帶寬接近70 MHz，實(shí)際是小于100 MHz的。其內(nèi)在的因素是因?yàn)樘筋^的電容和示波器的輸入電容相加，使得整個(gè)測量系統(tǒng)的輸入電容變得更大，這樣大大降低了整個(gè)系統(tǒng)帶寬，同時(shí)也加大了示波器屏幕上所顯示信號的上升時(shí)間。

可以繼續(xù)討論由此帶來的測量誤差大小。

為了改善和提高測量準(zhǔn)確度，只有提高測量系統(tǒng)帶寬。如選擇比信號上升時(shí)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(tǒng)。

同樣可以得到如表1所示的測量誤差結(jié)果。

表1 測量誤差結(jié)果

4 結(jié)語

從上述的計(jì)算分析可以看出，整個(gè)測量系統(tǒng)帶寬不足會引起上升時(shí)間變慢和測量幅度衰減。為了更加準(zhǔn)確地測量被測信號的上升或下降時(shí)間，還原被測信號的實(shí)際幅值，示波器必須有足夠快的上升時(shí)間。一般情況下，示波器的帶寬應(yīng)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(fā)現(xiàn)，如果探頭帶寬遠(yuǎn)高于示波器主機(jī)帶寬，那么整個(gè)測量系統(tǒng)帶寬就越接近示波器主機(jī)帶寬，因此用戶應(yīng)盡可能配備高帶寬的探頭和示波器，以提升整個(gè)系統(tǒng)帶寬，使測量結(jié)果更接近于真實(shí)值。

［1］ 陳弘士.無線電計(jì)量［M］.北京：中國計(jì)量出版社，1998.

［2］ 劉明亮，陸福敏，朱江淼，等.現(xiàn)代脈沖計(jì)量［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［3］ 全國無線電計(jì)量技術(shù)委員會.JJG 1057-1998數(shù)字存儲示波器校準(zhǔn)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)量出版社，1998.

［4］ 全國無線電計(jì)量技術(shù)委員會.JJG 262-1996 模擬示波器檢定規(guī)程［S］.北京：中國計(jì)量出版社，1996.