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数字电路测量示波器探头的上升时间和带宽

助工
2018-04-19 10:54:04    评分
示波器探头的上升时间和带宽www.gooxian.com
  示波器主要的限制为三个方面:灵敏性的不足、输入电压的幅度不够大、带宽限制。
  只要数字测试中的灵敏度不是特别的高,一般示波器的灵敏度是满足要求的。在高电平时,数字信号一般小于5V,绝对是在示波器的输入电压范围之内,主要的限制是带宽。示波器的Y轴放大器有带宽级别,就象示波器的探头一样,它们的数字意味着什么呢?很少工程师会把一个100-MHz带宽的示波器用到200-MHz的数字信号的测量上,但用到99MHz的信号上会是怎样?带宽的正确含义是什么?在数字信号中有什么影响?
  图3.1给了我们一些线索,在图3.1中描述的两轨迹是同一个信号使用不同带宽的示波器测试出的结果。上面的轨迹的上升延快,然而下面的上升延相比较就慢了。上面波形是用上升时间快的探头测的,而下面的波形所用的探头的带宽上限为6-MHz,带宽为6-MHZ探险头用于过滤噪声,输入阻抗很高,因此这个比较有点夸大,实际测量的探头不会有这么大的差别。带宽窄的探头测到的上升沿或下降沿变慢甚至会被过滤掉。在信号处理技术中,这低通探头滤掉被测信号的高频元素。
同一信号在两种不同带宽探头下测量结果不同
  图3.2剖析这示波器系统的组成,分别是输入信号、探头和Y轴放大器,在图3.2中,一个理想的上升时间非常短的信号分别在不同的阶段输入,于是我们就可以直接的观测到在系统每一部分导致的波形畸变。探头和Y轴放大器的影响是一样的:他们都使输入信号的上升时间变长了。

  图3.2对每一个处理阶段对上升时间的影响进行了量化。
  当一个真实的信号输入由探头和Y轴放大器组成的系统中时,像图3.3中一样,最终的上升时间等于各部分的上升时间的平方和的开方。

  对于串联的系统,取上升时间的平方和。对上升时间较为合理的测量是10-90%上升时间。
  示波器的生产商通常引用3-dB带宽,在探头和Y轴放大器上使用 指标,而不是上升时间。 F 3dB3-dB带宽和10-90%上升时间之间的转换如以下所示(看式1.6):
示波器系统的复合上升时间
  从设备厂商的说明书中引用RMS带宽,即噪声带宽F RMS ,可以依照下式转化(也可以看等式1.7):

  在使用从商店购买的探头(shop-built probes)的时候,我们会分析它的低通滤波器的性能。这些滤波器没有高斯频率响应曲线。在这种情况下,电路10-90%上升时间和滤波器的时间常数有以下关系:

例3.1 :上升时间变缓
  有一台示波器的频率为300MHz,探头的频率也是300MHz,它们的规格都是3-dB 带宽,它们组合起来对上升时间为2ns的信号有什么影响呢?

结果测到的上升时间为2.5ns。
例3.2 计算输入的上升时间
  如果示波器显示2.2ns的上升沿,你能算出实际输入上升时间为多少吗?将公式3.1反过来可以由输出显示的2.2ns求得输入的真实上升时间。

  显示的2.2ns的信号,它的实际10-90%上升时间是1.6ns。
  请不要太在乎这个例子,它只在输入波形没有过冲时是准确的。如果准确知道设备的10-90%上升时间,并且测量是在没有噪声的情况下进行的,测量上升时间要好的方法是使用速度更快的探头和示波器。
  简单地说,这种方法可以提高示波器的使用频率范围到原来的2~3倍。



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