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百科知識

示波器探頭帶寬對測量結果的影響

leegi 2020-11-21 10:17 0

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係統,因此必須以整體的觀念對整個測量係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

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%)對應的頻率範圍,如圖 2 所示。

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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,並與示波器共同組成一個測量係統。 這個測量係統的總體帶寬由示波器主機帶寬和探 頭帶寬共同決定。這一係統帶寬將影響被測信號如正弦波、脈衝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:

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式中:tr顯示 —— 實際測量到的信號上升時間,等於 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

係統的上升時間與帶寬的乘積為一常數,對係 統函數為 1 階的模型而言,該常數經驗值為 0.35, 對 於更高階的模型該常數介於 0.35 ~ 0.5 之間。可以推 導出這四個帶寬之間的關係。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。 則整個測量係統上升時間就由下式給出:

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由 4.95 ns 的測量係統上升時間可以知道係統帶 寬為 3.5/4.95 ns = 70.7 MHz。

從以上分析不難看出:如果使用一台 100 MHz 的示波器和一個 100 MHz 的探頭組成一個測量係統, 那麽它們所組成的係統帶寬接近 70 MHz,實際是小 於 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,使得整個測量係統的輸入 電容變得更大,這樣大大降低了整個係統帶寬,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。

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為了改善和提高測量準確度,隻有提高測量係 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 探頭組成的測量係統。

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同樣可以得到如表 1 所示的測量誤差結果。

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4、結語

從上述的計算分析可以看出,整個測量係統帶 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 高於示波器主機帶寬,那麽整個測量係統帶寬就越 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,以提升整個係統帶寬,使測量 結果更接近於真實值。

參考文獻:

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