示波器探頭基礎(chǔ)系列之五——示波器探頭使用指南（上）

帶寬是評(píng)估探頭如何影響待測(cè)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

計(jì)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(jí)級(jí)聯(lián)測(cè)量中，關(guān)于每級(jí)上升時(shí)間的知識(shí)可用來計(jì)算系統(tǒng)上升時(shí)間。系統(tǒng)上升時(shí)間是各級(jí)上升時(shí)間的平方和的均方根。例如，信號(hào)的上升時(shí)間顯示在示波器屏幕上，即測(cè)量到的上升時(shí)間，包括實(shí)際信號(hào)的上升時(shí)間和測(cè)試系統(tǒng)的上升時(shí)間。這樣知道信號(hào)測(cè)量的上升時(shí)間tmeas和系統(tǒng)上升時(shí)間tsys，可以利用如下公式來計(jì)算信號(hào)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(cè)量一個(gè)脈沖的上升沿，其目的是要估計(jì)實(shí)際

信號(hào)的上升沿。上升時(shí)間的測(cè)量值如圖5所示：

圖5 上升時(shí)間的測(cè)量值

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利用上述這些公式，很容易評(píng)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(yīng)，對(duì)于探頭行為的二階效應(yīng)例如接地引線的電感效應(yīng)等，將在下一章討論。

低電容探頭

1. 概述

另一種無源探頭是低電容探頭或者低阻探頭。這些探頭被設(shè)計(jì)成10：1的衰減到示波器的50Ohm輸入終端。與高阻探頭利用補(bǔ)償電容提供平坦的頻率響應(yīng)不同，低電容探頭使用傳輸線技術(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(fù)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(yīng)該為450Ohm。低阻探頭可以達(dá)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(duì)高頻應(yīng)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(fù)載阻抗電路中的寬帶寬和快沿信號(hào)測(cè)量。對(duì)于這些應(yīng)用，低阻探頭提供很好的頻率限于和相對(duì)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(bǔ)償去匹配示波器的輸入。

2. 低電容探頭如何影響測(cè)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(duì)低的輸入電阻使得這些探頭局限于應(yīng)用于具有50Ohm阻抗的電路。如下圖所示：

圖7 TT邏輯門電路驅(qū)動(dòng)傳輸線的情況

圖7表示TTL邏輯門電路驅(qū)動(dòng)傳輸線的情況。傳輸線具有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。之所以要使用這樣的端接是因?yàn)楦唠娖綍r(shí)TTL只能輸出幾毫安的電流，偏置電壓可以增強(qiáng)抗噪能力。如果一個(gè)500Ohm，10：1的探頭在接收端測(cè)量這樣的信號(hào)，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(cè)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(shù)。

表3 輸出電壓和誤差作為探頭輸入電阻的函數(shù)

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

圖8 信號(hào)由于反射引起失真

圖8 的測(cè)試連接顯示，端接電阻RO控制反射信號(hào)的幅度和極性，信號(hào)源產(chǎn)生1MHz方波，信號(hào)源的阻抗Zs用來匹配傳輸線的特性阻抗。使用50Ohm、10：1探頭來連接測(cè)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(dāng)傳輸線沒有被很好的匹配其特性阻抗。對(duì)于階躍信號(hào)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表示傳輸線的特性阻抗，T表示發(fā)射系數(shù)。在下面例子中，

1. 分別為0、u、75ohm。發(fā)射系數(shù)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(shù)為-1，階躍信號(hào)波形的幅度為+1.8V，其發(fā)射波形為-1.8V。時(shí)間取決于線纜長度。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(cè)波形上看到，原來的方波信號(hào)由于反射信號(hào)的影響，形成了一個(gè)負(fù)的窄脈沖疊加在原來的波形上。

圖11 75Ohm造成的反射

開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 開路造成的反射

認(rèn)識(shí)到不好的端接匹配將帶來波形失真很重要，低電容探頭使用傳輸線的特性來減小輸入電容，必須工作在特定的負(fù)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。