胡曉英 / 廈門市計量檢定測試院

示波器探頭帶寬對測量結果的影響

胡曉英 / 廈門市計量檢定測試院

0 引言

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(fā)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探頭。因為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

示波器的組成結構如圖1所示。

圖1 示波器的組成

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 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(yè)的數學公式表明這種關聯性：

BW —— 帶寬

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?？梢酝茖С鲞@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。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(xù)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。

表1 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(fā)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。

［1］ 陳弘士.無線電計量［M］.北京：中國計量出版社，1998.

［2］ 劉明亮，陸福敏，朱江淼，等.現代脈沖計量［M］.北京：科學出版社，2010.

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

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