示波器探頭的上升時(shí)間和帶寬分析

示波器最主要的三個(gè)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(chǎng)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：高電平數字信號的最大電平小于5V，這也在大多數示波器的最大電壓測量范圍之內。由此看來(lái)，最嚴重的限制是帶寬。

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

圖3.1給我們提供了一些線(xiàn)索。圖中的兩個(gè)波形是用兩個(gè)帶寬相差很大的示波器探頭觀(guān)察同一個(gè)信號所看到的結果。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(shí)間很快的探頭，而下面的波形，則用的是6MHZ帶寬的探頭。這個(gè)6MHZ帶寬的探頭。原本用于過(guò)濾噪聲，同時(shí)具有很高的輸入阻抗，在這里主要是為了突出信號通過(guò)不同探頭時(shí)的區別。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(yǔ)來(lái)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(gè)部分，分別為輸入信號，探頭和垂直放大器，在圖3.2中一個(gè)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(guò)系統不同階段時(shí)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(shí)間。

圖3.2分別量化了每個(gè)處理階段上升時(shí)間劣化的程度。

當一個(gè)實(shí)際信號通過(guò)如圖3.3所示的探頭和垂直放大器組成系統時(shí)，得到的上升時(shí)間等于每個(gè)部件上升時(shí)間平方之和的平方根。

只要處理過(guò)程是級聯(lián)的方式，就應該將各個(gè)上升時(shí)間的平方累加。在這個(gè)例子中，適當的上升時(shí)間值應該取10~90%上升時(shí)間。

示波器生產(chǎn)廠(chǎng)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(shí)間。3DB帶寬和10~90%上升時(shí)間的轉換關(guān)系如下面所示，也可參見(jiàn)這此近似值假設探頭的頻率響應是幾個(gè)頻率極點(diǎn)彼此接近的隨機濾波器的組合，是高斯型的。

有此示波器生產(chǎn)廠(chǎng)商的指標中會(huì )提到RMS帶寬，又稱(chēng)等效噪聲帶寬FRMS，其轉換式如下也可參見(jiàn)式：

有時(shí)我們會(huì )用到從市場(chǎng)上買(mǎi)到的探頭，這時(shí)要分析它的簡(jiǎn)單低通濾波器特性，這些濾波器并不具有高斯頻率響應曲線(xiàn)。在這種情況下，電路的10~90%上升時(shí)間與濾波器的時(shí)間常數有如下關(guān)系：