示波器探头带宽对测量结果的影响

在现代电子测试测量领域中，示波器无疑是一 种应用十分广泛的电子测量仪器。它经过模拟时代、 简单测量的数字存储时代，已经发展成为现代的一 种非常实用的时域波形分析工具，具有波形捕获、 参数计算、数据分析、抖动分析、误码率分析等诸 多功能。但在实际的测试测量工作中，人们很可能忽略了与之配套使用的示波器探头。因为示波器探头与示波器组成了最终所使用的测量系统，因此必须以整体的观念对整个测量系统有一个清楚的认识。如果所使用的示波器和配套使用的示波器探头选择不当，可能会给测量结果带来一定的风险。

1、示波器的结构与组成

2、带宽

示波器的结构决定了示波器带宽的重要性。放大器是被测信号进入示波器的大门，所以前端放大器件的带宽决定了示波器的带宽。示波器通道模拟带宽的定义为，测量等幅扫频信号时幅频特性下降到 -3 dB 时（70.7%）对应的频率范围，如图 2 所示。

图 2　带宽示意图

3　示波器探头带宽与示波器及被测信号之间的关联

探头也是仪器，与示波器一样也具有有限的模拟带宽，并与示波器共同组成一个测量系统。 这个测量系统的总体带宽由示波器主机带宽和探 头带宽共同决定。这一系统带宽将影响被测信号如正弦波、脉冲和方波幅度以及上升时间的测量准确度。

可以用更专业的数学公式表明这种关联性：

式中：tr显示 —— 实际测量到的信号上升时间，等于 示波器上升时间、探头上升时间以及被测信号上升 时间三者的均方根

系统的上升时间与带宽的乘积为一常数，对系 统函数为 1 阶的模型而言，该常数经验值为 0.35, 对 于更高阶的模型该常数介于 0.35 ~ 0.5 之间。可以推 导出这四个带宽之间的关系。如果示波器和探头各 自的带宽均为 100 MHz，则上升时间均为 = 3.5 ns。 则整个测量系统上升时间就由下式给出：

由 4.95 ns 的测量系统上升时间可以知道系统带 宽为 3.5/4.95 ns = 70.7 MHz。

从以上分析不难看出：如果使用一台 100 MHz 的示波器和一个 100 MHz 的探头组成一个测量系统， 那么它们所组成的系统带宽接近 70 MHz，实际是小 于 100 MHz 的。其内在的因素是因为探头的电容和 示波器的输入电容相加，使得整个测量系统的输入 电容变得更大，这样大大降低了整个系统带宽，同 时也加大了示波器屏幕上所显示信号的上升时间 。 可以继续讨论由此带来的测量误差大小。

为了改善和提高测量准确度，只有提高测量系 统带宽。如选择比信号上升时间高 5 倍的示波器， 即选择带宽为 500 MHz 的示波器及带宽 500 MHz 的 探头组成的测量系统。

同样可以得到如表 1 所示的测量误差结果。

4、结语

从上述的计算分析可以看出，整个测量系统带 宽不足会引起上升时间变慢和测量幅度衰减。为了 更加准确地测量被测信号的上升或下降时间，还原 被测信号的实际幅值，示波器必须有足够快的上升 时间。一般情况下，示波器的带宽应该比被测信号 波形的频率大 5 倍，这就是通常所说的示波器带宽 选择的 5 倍法则。此外可以发现，如果探头带宽远 高于示波器主机带宽，那么整个测量系统带宽就越 接近示波器主机带宽，因此用户应尽可能配备高带 宽的探头和示波器，以提升整个系统带宽，使测量 结果更接近于真实值。

参考文献：

[1] 陈弘士. 无线电计量[M]. 北京：中国计量出版社，1998.

[2] 刘明亮，陆福敏，朱江淼，等. 现代脉冲计量[M]. 北京：科学出 版社，2010.

[3] 全国无线电计量技术委员会. JJG 1057-1998数字存储示波器校 准规范[S]. 北京：中国计量出版社，1998.

[4] 全国无线电计量技术委员会. JJG 262-1996 模拟示波器检定规程 [S]. 北京：中国计量出版社，1996