示波器探頭基礎系列之五——示波器探頭使用指南（上）

帶寬是評估探頭如何影響待測電路的另一個(gè)方面，RC電路實(shí)際上可以簡(jiǎn)化為一個(gè)低通濾波器，其帶寬定義為輸出電壓降到輸入電壓的0.707時(shí)候的頻率。如下關(guān)系式用來(lái)

計算RC電路的帶寬BW。

445. 電路的另一關(guān)于帶寬和上升時(shí)間的經(jīng)典關(guān)系式為:

在多級級聯(lián)測量中，關(guān)于每級上升時(shí)間的知識可用來(lái)計算系統上升時(shí)間。系統上升時(shí)間是各級上升時(shí)間的平方和的均方根。例如，信號的上升時(shí)間顯示在示波器屏幕上，即測量到的上升時(shí)間，包括實(shí)際信號的上升時(shí)間和測試系統的上升時(shí)間。這樣知道信號測量的上升時(shí)間tmeas和系統上升時(shí)間tsys，可以利用如下公式來(lái)計算信號的實(shí)際上升時(shí)間tsig：

使用探頭前端大于250MHz的10：1探頭測量一個(gè)脈沖的上升沿，其目的是要估計實(shí)際

信號的上升沿。上升時(shí)間的測量值如圖5所示：

圖5 上升時(shí)間的測量值

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利用上述這些公式，很容易評估高阻探頭的動(dòng)態(tài)特性。但這些公式僅限于探頭行為的一階效應，對于探頭行為的二階效應例如接地引線(xiàn)的電感效應等，將在下一章討論。

低電容探頭

1. 概述

另一種無(wú)源探頭是低電容探頭或者低阻探頭。這些探頭被設計成10：1的衰減到示波器的50Ohm輸入終端。與高阻探頭利用補償電容提供平坦的頻率響應不同，低電容探頭使用傳輸線(xiàn)技術(shù)獲得很寬的帶寬。一個(gè)典型的低電容探頭如圖6所示。

圖6 典型的低電容探頭

示波器的輸入電阻R2提供匹配端接給低損同軸電纜。理想情況下，端接電纜為50Ohm，為R1的純電阻負載。串聯(lián)電阻決定探頭的輸入電阻和衰減因子。例如，10：1，500Ohm探頭，其值應該為450Ohm。低阻探頭可以達到8GHz的帶寬，上升時(shí)間為50ps，輸入電容為0.5pF。由于這些探頭已經(jīng)做了針對高頻應用的優(yōu)化，因此不提供額外探頭尖端和地連接的選擇。低電容探頭被用于在50Ohm負載阻抗電路中的寬帶寬和快沿信號測量。對于這些應用，低阻探頭提供很好的頻率限于和相對低的價(jià)格。低阻探頭另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其不需要提供額外的補償去匹配示波器的輸入。

2. 低電容探頭如何影響測量

典型的低電容探頭具有10：1的衰減、1pF的輸入電容和500Ohm的電阻。相對低的輸入電阻使得這些探頭局限于應用于具有50Ohm阻抗的電路。如下圖所示：

圖7 TT邏輯門(mén)電路驅動(dòng)傳輸線(xiàn)的情況

圖7表示TTL邏輯門(mén)電路驅動(dòng)傳輸線(xiàn)的情況。傳輸線(xiàn)具有120Ohm的特性阻抗，一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò )提供大約3.5V的偏置電壓給該邏輯門(mén)。之所以要使用這樣的端接是因為高電平時(shí)TTL只能輸出幾毫安的電流，偏置電壓可以增強抗噪能力。如果一個(gè)500Ohm，10：1的探頭在接收端測量這樣的信號，會(huì )使得端接電阻變?yōu)?8Ohm，從而使偏置電壓變?yōu)?.7V。只有在不會(huì )改變待測電路端接特性的場(chǎng)合才適合低電容探頭。表3將輸出電壓和

誤差作為探頭輸入電阻的函數。

表3 輸出電壓和誤差作為探頭輸入電阻的函數

傳輸線(xiàn)端接一個(gè)等于其特性阻抗的電阻叫做匹配。如果傳輸線(xiàn)沒(méi)有很好的匹配將會(huì )造成信號失真。如果是連續信號，其電壓或電流會(huì )形成駐波。如果為脈沖信號，會(huì )引起信號反射，反射的幅度和時(shí)間性取決于失配的程度。傳輸信號和反射信號引起了波形的嚴重失真。圖8給出了觀(guān)察信號由于反射引起失真的試驗步驟。

圖8 信號由于反射引起失真

圖8 的測試連接顯示，端接電阻RO控制反射信號的幅度和極性，信號源產(chǎn)生1MHz方波，信號源的阻抗Zs用來(lái)匹配傳輸線(xiàn)的特性阻抗。使用50Ohm、10：1探頭來(lái)連接測試點(diǎn)。

圖9 良好端接的波形

圖9顯示了端接良好的波形，當傳輸線(xiàn)沒(méi)有被很好的匹配其特性阻抗。對于階躍信號或者脈沖波形，將會(huì )產(chǎn)生反射。反射波的幅度和入射波幅度由如下公式給出：

式中R0表示端接電阻、Z0表示傳輸線(xiàn)的特性阻抗，T表示發(fā)射系數。在下面例子中，

1. 分別為0、u、75ohm。發(fā)射系數分別為-1、+1和+1/3。

圖10 短路造成的反射

短路時(shí)的反射系數為-1，階躍信號波形的幅度為+1.8V，其發(fā)射波形為-1.8V。時(shí)間取決于線(xiàn)纜長(cháng)度。以RG58為例，其傳輸延遲大約為1.5ns/foot。入射波和反射波的延遲為12ns。這點(diǎn)可以在被測波形上看到，原來(lái)的方波信號由于反射信號的影響，形成了一個(gè)負的窄脈沖疊加在原來(lái)的波形上。

圖11 75Ohm造成的反射

開(kāi)路端接造成的反射波具有相同幅度和極性，反射波疊加了二個(gè)、延遲的跳變波形。

圖12 開(kāi)路造成的反射

認識到不好的端接匹配將帶來(lái)波形失真很重要，低電容探頭使用傳輸線(xiàn)的特性來(lái)減小輸入電容，必須工作在特定的負載阻抗（典型值為50Ohm），并且也必須配合具有很好的50ohm端接的高帶寬示波器一起使用。