示波器探頭基礎系列之五——示波器探頭使用指南（上）

帶寬是評估探頭如何影響待測電路的另一個方面，RC電路實際上可以簡化為一個低通濾波器，其帶寬定義為輸出電壓降到輸入電壓的0.707時候的頻率。如下關系式用來

計算RC電路的帶寬BW。

445. 電路的另一關于帶寬和上升時間的經典關系式為:

在多級級聯測量中，關于每級上升時間的知識可用來計算系統上升時間。系統上升時間是各級上升時間的平方和的均方根。例如，信號的上升時間顯示在示波器屏幕上，即測量到的上升時間，包括實際信號的上升時間和測試系統的上升時間。這樣知道信號測量的上升時間tmeas和系統上升時間tsys，可以利用如下公式來計算信號的實際上升時間tsig：

使用探頭前端大于250MHz的10：1探頭測量一個脈沖的上升沿，其目的是要估計實際

信號的上升沿。上升時間的測量值如圖5所示：

圖5 上升時間的測量值

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利用上述這些公式，很容易評估高阻探頭的動態特性。但這些公式僅限于探頭行為的一階效應，對于探頭行為的二階效應例如接地引線的電感效應等，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。這些探頭被設計成10：1的衰減到示波器的50Ohm輸入終端。與高阻探頭利用補償電容提供平坦的頻率響應不同，低電容探頭使用傳輸線技術獲得很寬的帶寬。一個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的純電阻負載。串聯電阻決定探頭的輸入電阻和衰減因子。例如，10：1，500Ohm探頭，其值應該為450Ohm。低阻探頭可以達到8GHz的帶寬，上升時間為50ps，輸入電容為0.5pF。由于這些探頭已經做了針對高頻應用的優化，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負載阻抗電路中的寬帶寬和快沿信號測量。對于這些應用，低阻探頭提供很好的頻率限于和相對低的價格。低阻探頭另外一個優點是其不需要提供額外的補償去匹配示波器的輸入。

2. 低電容探頭如何影響測量

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。相對低的輸入電阻使得這些探頭局限于應用于具有50Ohm阻抗的電路。如下圖所示：

圖7 TT邏輯門電路驅動傳輸線的情況

圖7表示TTL邏輯門電路驅動傳輸線的情況。傳輸線具有120Ohm的特性阻抗，一個電阻分壓網絡提供大約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為高電平時TTL只能輸出幾毫安的電流，偏置電壓可以增強抗噪能力。如果一個500Ohm，10：1的探頭在接收端測量這樣的信號，會使得端接電阻變為98Ohm，從而使偏置電壓變為2.7V。只有在不會改變待測電路端接特性的場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。

表3 輸出電壓和誤差作為探頭輸入電阻的函數

傳輸線端接一個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造成信號失真。如果是連續信號，其電壓或電流會形成駐波。如果為脈沖信號，會引起信號反射，反射的幅度和時間性取決于失配的程度。傳輸信號和反射信號引起了波形的嚴重失真。圖8給出了觀察信號由于反射引起失真的試驗步驟。

圖8 信號由于反射引起失真

圖8 的測試連接顯示，端接電阻RO控制反射信號的幅度和極性，信號源產生1MHz方波，信號源的阻抗Zs用來匹配傳輸線的特性阻抗。使用50Ohm、10：1探頭來連接測試點。

圖9 良好端接的波形

圖9顯示了端接良好的波形，當傳輸線沒有被很好的匹配其特性阻抗。對于階躍信號或者脈沖波形，將會產生反射。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表示發射系數。在下面例子中，

1. 分別為0、u、75ohm。發射系數分別為-1、+1和+1/3。

圖10 短路造成的反射

短路時的反射系數為-1，階躍信號波形的幅度為+1.8V，其發射波形為-1.8V。時間取決于線纜長度。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。這點可以在被測波形上看到，原來的方波信號由于反射信號的影響，形成了一個負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、延遲的跳變波形。

圖12 開路造成的反射

認識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。