如果您不知道应该关注示波器探头的哪些关键技术指标,那么就不可能确定自己的需求。技术资料通常包含大量数字列表。哪些才是您需要关注的?
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。
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,您应该根据下一节中介绍的计算方法,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。
图 2. 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。
图 3. 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。
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 4 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。
图 4. 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图 5 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。
图 5. 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。
图 6. 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。
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