示波器探頭的上升時(shí)間和帶寬分析

示波器最主要的三個(gè)局限性是：靈敏度不足、輸入電壓的容許范圍太小以及帶寬有限。

除了在信號(hào)靈敏度要求很高的特殊場(chǎng)合，通常我們都能夠保證信號(hào)電平高于一般示波器的最低信號(hào)靈敏度電平：高電平數(shù)字信號(hào)的最大電平小于5V，這也在大多數(shù)示波器的最大電壓測(cè)量范圍之內(nèi)。由此看來(lái)，最嚴(yán)重的限制是帶寬。

毋庸置疑，財(cái)示波器的探頭一樣，示波器的垂直放大器也有一個(gè)帶寬率。這個(gè)數(shù)值是什么含義呢？很少有工程師會(huì)用100MHZ的示波器去測(cè)量200MHZ的數(shù)字信號(hào)，但是用它去測(cè)量99MHZ的信號(hào)又會(huì)怎樣呢？帶寬的精確含義到底是什么呢？它又如何對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響呢？

圖3.1給我們提供了一些線索。圖中的兩個(gè)波形是用兩個(gè)帶寬相差很大的示波器探頭觀察同一個(gè)信號(hào)所看到的結(jié)果。上面的波形上升很快，而下面的則慢得多。上面記錄的波形用的是上升時(shí)間很快的探頭，而下面的波形，則用的是6MHZ帶寬的探頭。這個(gè)6MHZ帶寬的探頭。原本用于過(guò)濾噪聲，同時(shí)具有很高的輸入阻抗，在這里主要是為了突出信號(hào)通過(guò)不同探頭時(shí)的區(qū)別。帶寬較低的探頭使輸出信號(hào)模糊，使其上升沿和下降沿都變得更加緩慢。用信號(hào)處理的術(shù)語(yǔ)來(lái)講，就是低帶寬的探頭濾除了被測(cè)信號(hào)的高頻分量。

為了顯示得更加清楚，圖3.2把示波器分成了幾個(gè)部分，分別為輸入信號(hào)，探頭和垂直放大器，在圖3.2中一個(gè)理想信號(hào)的上升沿極窄，分別輸入給各級(jí)部件，以便我們能夠看到信號(hào)在通過(guò)系統(tǒng)不同階段時(shí)的畸變程度。探頭和垂直放大器對(duì)信號(hào)有同樣的影響；都減緩了信號(hào)的上升時(shí)間。

圖3.2分別量化了每個(gè)處理階段上升時(shí)間劣化的程度。

當(dāng)一個(gè)實(shí)際信號(hào)通過(guò)如圖3.3所示的探頭和垂直放大器組成系統(tǒng)時(shí)，得到的上升時(shí)間等于每個(gè)部件上升時(shí)間平方之和的平方根。

只要處理過(guò)程是級(jí)聯(lián)的方式，就應(yīng)該將各個(gè)上升時(shí)間的平方累加。在這個(gè)例子中，適當(dāng)?shù)纳仙龝r(shí)間值應(yīng)該取10~90%上升時(shí)間。

示波器生產(chǎn)廠商通常采用的是探頭和垂直放大器的3DB帶寬，即F3DB，而不是其上升時(shí)間。3DB帶寬和10~90%上升時(shí)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下面所示，也可參見(jiàn)這此近似值假設(shè)探頭的頻率響應(yīng)是幾個(gè)頻率極點(diǎn)彼此接近的隨機(jī)濾波器的組合，是高斯型的。

有此示波器生產(chǎn)廠商的指標(biāo)中會(huì)提到RMS帶寬，又稱等效噪聲帶寬FRMS，其轉(zhuǎn)換式如下也可參見(jiàn)式：                     

有時(shí)我們會(huì)用到從市場(chǎng)上買到的探頭，這時(shí)要分析它的簡(jiǎn)單低通濾波器特性，這些濾波器并不具有高斯頻率響應(yīng)曲線。在這種情況下，電路的10~90%上升時(shí)間與濾波器的時(shí)間常數(shù)有如下關(guān)系：