示波器探頭的上升時間和帶寬分析

示波器最主要的三個局限性是：靈敏度不足、輸入電壓的容許范圍太小以及帶寬有限。

除了在信號靈敏度要求很高的特殊場合，通常我們都能夠保證信號電平高于一般示波器的最低信號靈敏度電平：高電平數(shù)字信號的最大電平小于5V，這也在大多數(shù)示波器的最大電壓測量范圍之內(nèi)。由此看來，最嚴(yán)重的限制是帶寬。

毋庸置疑，財(cái)示波器的探頭一樣，示波器的垂直放大器也有一個帶寬率。這個數(shù)值是什么含義呢？很少有工程師會用100MHZ的示波器去測量200MHZ的數(shù)字信號，但是用它去測量99MHZ的信號又會怎樣呢？帶寬的精確含義到底是什么呢？它又如何對數(shù)字信號產(chǎn)生影響呢？

圖3.1給我們提供了一些線索。圖中的兩個波形是用兩個帶寬相差很大的示波器探頭觀察同一個信號所看到的結(jié)果。上面的波形上升很快，而下面的則慢得多。上面記錄的波形用的是上升時間很快的探頭，而下面的波形，則用的是6MHZ帶寬的探頭。這個6MHZ帶寬的探頭。原本用于過濾噪聲，同時具有很高的輸入阻抗，在這里主要是為了突出信號通過不同探頭時的區(qū)別。帶寬較低的探頭使輸出信號模糊，使其上升沿和下降沿都變得更加緩慢。用信號處理的術(shù)語來講，就是低帶寬的探頭濾除了被測信號的高頻分量。

為了顯示得更加清楚，圖3.2把示波器分成了幾個部分，分別為輸入信號，探頭和垂直放大器，在圖3.2中一個理想信號的上升沿極窄，分別輸入給各級部件，以便我們能夠看到信號在通過系統(tǒng)不同階段時的畸變程度。探頭和垂直放大器對信號有同樣的影響；都減緩了信號的上升時間。

圖3.2分別量化了每個處理階段上升時間劣化的程度。

當(dāng)一個實(shí)際信號通過如圖3.3所示的探頭和垂直放大器組成系統(tǒng)時，得到的上升時間等于每個部件上升時間平方之和的平方根。

只要處理過程是級聯(lián)的方式，就應(yīng)該將各個上升時間的平方累加。在這個例子中，適當(dāng)?shù)纳仙龝r間值應(yīng)該取10~90%上升時間。

示波器生產(chǎn)廠商通常采用的是探頭和垂直放大器的3DB帶寬，即F3DB，而不是其上升時間。3DB帶寬和10~90%上升時間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下面所示，也可參見這此近似值假設(shè)探頭的頻率響應(yīng)是幾個頻率極點(diǎn)彼此接近的隨機(jī)濾波器的組合，是高斯型的。

有此示波器生產(chǎn)廠商的指標(biāo)中會提到RMS帶寬，又稱等效噪聲帶寬FRMS，其轉(zhuǎn)換式如下也可參見式：

有時我們會用到從市場上買到的探頭，這時要分析它的簡單低通濾波器特性，這些濾波器并不具有高斯頻率響應(yīng)曲線。在這種情況下，電路的10~90%上升時間與濾波器的時間常數(shù)有如下關(guān)系：