如何理解示波器探頭的帶寬

摘要：您了解您正在使用的示波器和探頭嗎?一個(gè)200M帶寬的示波器，配一個(gè)200M帶寬的無源探頭，能行嗎?帶寬會(huì)不會(huì)降低到140M?如何為示波器選擇合適的探頭呢?

示波器帶寬

對(duì)于經(jīng)常跟示波器打交道的電子工程師來說，示波器的帶寬無疑是他們最關(guān)心的指標(biāo)之一。帶寬直接影響信號(hào)的保真度和測(cè)量的準(zhǔn)確度。我們通常所說的帶寬是指-3dB帶寬，如圖 1所示。在200M帶寬的示波器上輸入200M的正弦波，理論上其幅度會(huì)下降3dB。然而，你若對(duì)此時(shí)測(cè)量到的信號(hào)幅度除以0.707，想以此獲得真實(shí)的信號(hào)的幅度，得到的結(jié)果卻未必正確。因?yàn)閷?shí)際上，示波器在設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證帶寬參數(shù)和減小信號(hào)失真，在帶內(nèi)的信號(hào)衰減幅度通常會(huì)小于3dB。所以，200M帶寬是一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，保證對(duì)200M以內(nèi)的正弦波幅度的衰減不超過3 dB，以提供較好的測(cè)量置信度。

圖 1 帶寬定義為響應(yīng)曲線中幅度下降3dB的頻率

探頭的帶寬

示波器要進(jìn)行測(cè)量必須使用探頭，示波器探頭的帶寬對(duì)示波器有著怎樣的影響?下面我們針對(duì)應(yīng)用最為廣泛的高阻無源探頭進(jìn)行分析。高阻無源探頭有不同的衰減比例，如1×、10×、100×等，即使是同一個(gè)探頭，在不同的衰減檔位下，帶寬也不一樣，使用時(shí)應(yīng)注意。如ZP1025S在1×檔位下的帶寬為10M，而在10×檔位下的帶寬為250M，如圖 2所示。那么ZP1025S切換到10×檔位后接到ZDS2022帶寬為200M的示波器上，系統(tǒng)的整體帶寬是多少?答案是：仍然是200M。

圖 2 示波器探頭ZP1025S

我們來實(shí)測(cè)驗(yàn)證一下，把探頭ZP1025S連接到ZDS2022示波器上，通過探頭測(cè)量一個(gè)頻率為200M，有效值為200mV的正弦波，測(cè)量結(jié)果如圖 3所示，頻率為200M，有效值為161mV，衰減了約2dB。從而，探頭與示波器組成的系統(tǒng)，帶寬仍然達(dá)到了200M。值得注意的是，對(duì)200M的信號(hào)并非衰減越小越好，這會(huì)帶來其他方面的問題。

圖 3 對(duì)200M正弦波的實(shí)測(cè)驗(yàn)證

探頭選用的原則是，探頭的帶寬應(yīng)不低于示波器帶寬，以保證連接到示波器上之后可以充分利用示波器的帶寬。當(dāng)探頭的帶寬低于示波器帶寬時(shí)，系統(tǒng)的帶寬會(huì)受限于探頭帶寬，并可能產(chǎn)生額外的波形畸變，這種畸變是由于探頭與示波器不匹配造成的。使用示波器廠家推薦的探頭，可以避免由于探頭與示波器不匹配造成的額外波形畸變，并在探頭帶寬不低于示波器帶寬時(shí)，保證示波器帶寬擴(kuò)展到探尖。

問題回顧

回到前面的問題：一個(gè)200M帶寬的示波器，配一個(gè)200M帶寬的無源探頭，能行嗎?帶寬會(huì)不會(huì)降低到140M?通過上面的文字，您應(yīng)該很容易得到答案：這樣的配置是可行的，帶寬不會(huì)降低到140M，但為保證200M的可用帶寬，及避免額外的波形畸變，應(yīng)盡可能用示波器廠家推薦的探頭。

可能有的讀者仍然會(huì)有疑問：兩個(gè)200M帶寬的系統(tǒng)級(jí)聯(lián)，帶寬為什么還能保持200M?

事實(shí)上，探頭與示波器的連接并不是簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)。

我們不妨想想，探頭的10倍衰減是如何實(shí)現(xiàn)的，它是與示波器的輸入阻抗分壓實(shí)現(xiàn)的，如果探頭不連接到示波器上，本身是無法實(shí)現(xiàn)10倍衰減的。因此，探頭連接到示波器后，應(yīng)作為一個(gè)整體系統(tǒng)來看待，無論評(píng)估系統(tǒng)帶寬還是上升時(shí)間，都應(yīng)如此。另外，200M帶寬的示波器，對(duì)200M的正弦波的幅度衰減實(shí)際小于3dB，這個(gè)是有一定的裕量的。連接上探頭之后，對(duì)于200M以內(nèi)的正弦波的幅度衰減仍然不超過3dB。為了獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，應(yīng)選擇指定帶寬比被測(cè)信號(hào)的最高頻率波形高3至5倍的示波器，就是基于這方面考慮的，即減少或避免測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性對(duì)測(cè)試測(cè)量的結(jié)果造成的影響。