示波器探头带宽对测量结果的影响
2016-09-14胡晓英厦门市计量检定测试院
胡晓英 / 厦门市计量检定测试院
示波器探头带宽对测量结果的影响
胡晓英 / 厦门市计量检定测试院
0 引言
在现代电子测试测量领域中,示波器无疑是一种应用十分广泛的电子测量仪器。它经过模拟时代、简单测量的数字存储时代,已经发展成为现代的一种非常实用的时域波形分析工具,具有波形捕获、参数计算、数据分析、抖动分析、误码率分析等诸多功能。但在实际的测试测量工作中,人们很可能忽略了与之配套使用的探头。因为探头与示波器组成了最终所使用的测量系统,因此必须以整体的观念对整个测量系统有一个清楚的认识。如果所使用的示波器和配套使用的探头选择不当,可能会给测量结果带来一定的风险。
1 示波器的结构与组成
示波器的组成结构如图1所示。
图1 示波器的组成
2 带宽
示波器的结构决定了示波器带宽的重要性。放大器是被测信号进入示波器的大门,所以前端放大器件的带宽决定了示波器的带宽。示波器通道模拟带宽的定义为,测量等幅扫频信号时幅频特性下降到-3 dB时(70.7%)对应的频率范围,如图2所示。
图2 带宽示意图
3 探头带宽与示波器及被测信号之间的关联
探头也是仪器,与示波器一样也具有有限的模拟带宽,并与示波器共同组成一个测量系统。这个测量系统的总体带宽由示波器主机带宽和探头带宽共同决定。这一系统带宽将影响被测信号如正弦波、脉冲和方波幅度以及上升时间的测量准确度。
可以用更专业的数学公式表明这种关联性:
BW —— 带宽
系统的上升时间与带宽的乘积为一常数,对系统函数为1阶的模型而言,该常数经验值为0.35,对于更高阶的模型该常数介于0.35 ~ 0.5之间。可以推导出这四个带宽之间的关系。如果示波器和探头各自的带宽均为100 MHz,则上升时间均为。则整个测量系统上升时间就由下式给出:
由4.95 ns的测量系统上升时间可以知道系统带宽为3.5/4.95 ns= 70.7 MHz。
从以上分析不难看出:如果使用一台100 MHz的示波器和一个100 MHz的探头组成一个测量系统,那么它们所组成的系统带宽接近70 MHz,实际是小于100 MHz的。其内在的因素是因为探头的电容和示波器的输入电容相加,使得整个测量系统的输入电容变得更大,这样大大降低了整个系统带宽,同时也加大了示波器屏幕上所显示信号的上升时间。
可以继续讨论由此带来的测量误差大小。
为了改善和提高测量准确度,只有提高测量系统带宽。如选择比信号上升时间高5倍的示波器,即选择带宽为500 MHz的示波器及带宽500 MHz的探头组成的测量系统。
同样可以得到如表1所示的测量误差结果。
表1 测量误差结果
4 结语
从上述的计算分析可以看出,整个测量系统带宽不足会引起上升时间变慢和测量幅度衰减。为了更加准确地测量被测信号的上升或下降时间,还原被测信号的实际幅值,示波器必须有足够快的上升时间。一般情况下,示波器的带宽应该比被测信号波形的频率大5倍,这就是通常所说的示波器带宽选择的5倍法则。此外可以发现,如果探头带宽远高于示波器主机带宽,那么整个测量系统带宽就越接近示波器主机带宽,因此用户应尽可能配备高带宽的探头和示波器,以提升整个系统带宽,使测量结果更接近于真实值。
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