如何理解示波器探頭的帶寬

摘要：您了解您正在使用的示波器和探頭嗎?一個(gè)200M帶寬的示波器，配一個(gè)200M帶寬的無(wú)源探頭，能行嗎?帶寬會(huì )不會(huì )降低到140M?如何為示波器選擇合適的探頭呢?

示波器帶寬

對于經(jīng)常跟示波器打交道的電子工程師來(lái)說(shuō)，示波器的帶寬無(wú)疑是他們最關(guān)心的指標之一。帶寬直接影響信號的保真度和測量的準確度。我們通常所說(shuō)的帶寬是指-3dB帶寬，如圖 1所示。在200M帶寬的示波器上輸入200M的正弦波，理論上其幅度會(huì )下降3dB。然而，你若對此時(shí)測量到的信號幅度除以0.707，想以此獲得真實(shí)的信號的幅度，得到的結果卻未必正確。因為實(shí)際上，示波器在設計時(shí)，為了保證帶寬參數和減小信號失真，在帶內的信號衰減幅度通常會(huì )小于3dB。所以，200M帶寬是一個(gè)設計指標，保證對200M以?xún)鹊恼也ǚ鹊乃p不超過(guò)3 dB，以提供較好的測量置信度。

圖 1 帶寬定義為響應曲線(xiàn)中幅度下降3dB的頻率

探頭的帶寬

示波器要進(jìn)行測量必須使用探頭，示波器探頭的帶寬對示波器有著(zhù)怎樣的影響?下面我們針對應用最為廣泛的高阻無(wú)源探頭進(jìn)行分析。高阻無(wú)源探頭有不同的衰減比例，如1×、10×、100×等，即使是同一個(gè)探頭，在不同的衰減檔位下，帶寬也不一樣，使用時(shí)應注意。如ZP1025S在1×檔位下的帶寬為10M，而在10×檔位下的帶寬為250M，如圖 2所示。那么ZP1025S切換到10×檔位后接到ZDS2022帶寬為200M的示波器上，系統的整體帶寬是多少?答案是：仍然是200M。

圖 2 示波器探頭ZP1025S

我們來(lái)實(shí)測驗證一下，把探頭ZP1025S連接到ZDS2022示波器上，通過(guò)探頭測量一個(gè)頻率為200M，有效值為200mV的正弦波，測量結果如圖 3所示，頻率為200M，有效值為161mV，衰減了約2dB。從而，探頭與示波器組成的系統，帶寬仍然達到了200M。值得注意的是，對200M的信號并非衰減越小越好，這會(huì )帶來(lái)其他方面的問(wèn)題。

圖 3 對200M正弦波的實(shí)測驗證

探頭選用的原則是，探頭的帶寬應不低于示波器帶寬，以保證連接到示波器上之后可以充分利用示波器的帶寬。當探頭的帶寬低于示波器帶寬時(shí)，系統的帶寬會(huì )受限于探頭帶寬，并可能產(chǎn)生額外的波形畸變，這種畸變是由于探頭與示波器不匹配造成的。使用示波器廠(chǎng)家推薦的探頭，可以避免由于探頭與示波器不匹配造成的額外波形畸變，并在探頭帶寬不低于示波器帶寬時(shí)，保證示波器帶寬擴展到探尖。

問(wèn)題回顧

回到前面的問(wèn)題：一個(gè)200M帶寬的示波器，配一個(gè)200M帶寬的無(wú)源探頭，能行嗎?帶寬會(huì )不會(huì )降低到140M?通過(guò)上面的文字，您應該很容易得到答案：這樣的配置是可行的，帶寬不會(huì )降低到140M，但為保證200M的可用帶寬，及避免額外的波形畸變，應盡可能用示波器廠(chǎng)家推薦的探頭。

可能有的讀者仍然會(huì )有疑問(wèn)：兩個(gè)200M帶寬的系統級聯(lián)，帶寬為什么還能保持200M?

事實(shí)上，探頭與示波器的連接并不是簡(jiǎn)單的級聯(lián)。

我們不妨想想，探頭的10倍衰減是如何實(shí)現的，它是與示波器的輸入阻抗分壓實(shí)現的，如果探頭不連接到示波器上，本身是無(wú)法實(shí)現10倍衰減的。因此，探頭連接到示波器后，應作為一個(gè)整體系統來(lái)看待，無(wú)論評估系統帶寬還是上升時(shí)間，都應如此。另外，200M帶寬的示波器，對200M的正弦波的幅度衰減實(shí)際小于3dB，這個(gè)是有一定的裕量的。連接上探頭之后，對于200M以?xún)鹊恼也ǖ姆人p仍然不超過(guò)3dB。為了獲得更加準確的測量結果，應選擇指定帶寬比被測信號的最高頻率波形高3至5倍的示波器，就是基于這方面考慮的，即減少或避免測量系統的頻率響應特性對測試測量的結果造成的影響。