示波器探头带宽越高越好吗?

这个答案是否。因为噪声在各个频率之间均匀分布。这意味着探头带宽越高,引入的频率越多,进入信号的噪声也越多。

人们最熟悉的技术指标就是带宽。探头的带宽范围从直流一直到大约 30 GHz。对带宽 的一个常见误解是以为带宽越大,可以看到的数据就越多。但事实并非总是如此。随着 带宽的增加,许多关键技术指标都会发生变化,它们也是需要考虑的重要因素。

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不断提高的带宽如何影响其他关键技术指标

噪声在各个频率之间均匀分布。这意味着探头带宽越高,引入的频率越多,进入信号的 噪声也越多。为了防止发生这种情况,您应该根据下文介绍的计算方法,只使用需要的带宽。而且,还需要借助更专业化的探头来测量更高频率。

当然,这需要加大开发力度,才能为敏感元件创造出如此专业化但成本较高的产品。使用带宽超过需求的探头 可能会带来额外的成本、工作量和噪声,这些要素可能会大大地影响您的测量结果。 各类探头都有优点和缺点,对于您所进行的特定测试,您需要选择更合适的探头。充分 理解关键技术指标,理解其对您的意义,将使探头选型变得更加容易。我们认为,与其 查看技术资料中那些冗长的技术指标列表,不如研究文档其余部分更重要。

如何选择合适的探头带宽?
如果使用的探头带宽不正确,那么您可能会遗失信号细节,或者为系统引入不必要的噪 声。为了加深理解,我们先来讨论带宽的意义。探头带宽本质上就是 3 dB 点。3 dB 点 是指探头输出相对于标称响应减少 3 dB 时的频率。

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3 dB 点的显示结果

假设用 1:1 探头测量 1 Vpp 的低频正弦波。由于您使用的是 1:1 探头,因此进入示波器 的探头输出将等于设备输入探头的实际信号。但是,如果继续增加此 1 Vpp 信号的频 率,那么最终您将到达一个点,在该点上探头输出远远小于输入探头的实际信号。当您 看到示波器屏幕上的输出相对于 1 Vpp 输入降为 0.7 Vpp 时,那么就表示您到达了 3 dB 点,因为相对于其标称响应,输出减少了 3 dB。

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随着频率增加出现 3 dB 点的示例

现在您已经了解了 3 dB 点理论,您可以利用它来改善测试。

选择适合探头的第一步是了解信号的带宽。要确定信号带宽(BW),可以使用以下简单公式:如果我们测量的 是 10% 和 90% 的阈值,则信号带宽等于上升时间除以 0.35。如果测量的是 20% 和 80% 的阈值,则信号带宽等于上升时间除以 0.22。

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计算完信号带宽后,可根据以下两个经验选择探头带宽:

– 探头带宽应该比模拟应用中最快的正弦波频率高 3 倍

– 探头带宽应该比数字应用的最高数字时钟速率快 5 倍

根据这些快速计算方法,您可以大致确定何种探头带宽适合您的应用。随着上升时间加 快,信号带宽随之增加,这意味着您需要带宽更高的探头。但请记住,带宽过高也会带 来麻烦。

另一种考虑带宽的方法是以谐波为基础。一般而言,探头带宽越高,捕捉到的谐波越 多,二者都会使信号精度稍有提高。如下面图所示,原始信号为黄色迹线,一阶谐波 为绿色迹线。您可以看到,它们具有相同的周期和占空比,但一阶谐波的上升沿明显较 慢,并且拐角非常圆滑。蓝色迹线显示一阶和三阶谐波,其上升沿较快,角点变得更清 晰。但在图像的底部,我们可以看到一阶、三阶和五阶谐波。其边沿平缓,拐角锐利, 信号顶部和底部有很多细节。带宽越高,波形将显露出越多的细节。

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更高的带宽意味着更多谐波及更丰富的信号细节

了解了上面的规律,我们来看一个用 100 MHz 探头测量 100 MHz 时钟的例子。完成这 个测量后,您最终将会在屏幕上看到如下图所示的正弦波。因此,您无法得到准确的上 升时间或任何真正的信号细节。这意味着您所做的任何测量都是不准确的,毫无意义。

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使用 100 MHz 探头测量 100 MHz 时钟信号

但是,如果使用 500 MHz 探头测量相同的 100 MHz 信号,您就会有足够的带宽来捕获 更多的谐波,从而得到更精确的信号表示。

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使用 500 MHz 探头测量 100 MHz 时钟信号

由此可见,为您要处理的信号选择合适的探头带宽是多么重要。但带宽过高也不好,过 犹不及。在确定多大带宽适合您的应用并选择正确的探头时,这些理论和快速计算方法 可以帮助您不犯错误。

作者:是德科技 Keysight Technologies
链接:https://www.zhihu.com/question/382045269/answer/2341569890
来源:知乎
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