示波器探头基础系列之五——示波器探头使用指南（上）

带宽是评估探头如何影响待测电路的另一个方面，RC电路实际上可以简化为一个低通滤波器，其带宽定义为输出电压降到输入电压的0.707时候的频率。如下关系式用来

计算RC电路的带宽BW。

445. 电路的另一关于带宽和上升时间的经典关系式为:

在多级级联测量中，关于每级上升时间的知识可用来计算系统上升时间。系统上升时间是各级上升时间的平方和的均方根。例如，信号的上升时间显示在示波器屏幕上，即测量到的上升时间，包括实际信号的上升时间和测试系统的上升时间。这样知道信号测量的上升时间tmeas和系统上升时间tsys，可以利用如下公式来计算信号的实际上升时间tsig：

使用探头前端大于250MHz的10：1探头测量一个脉冲的上升沿，其目的是要估计实际

信号的上升沿。上升时间的测量值如图5所示：

图5 上升时间的测量值

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利用上述这些公式，很容易评估高阻探头的动态特性。但这些公式仅限于探头行为的一阶效应，对于探头行为的二阶效应例如接地引线的电感效应等，将在下一章讨论。

低电容探头

1. 概述

另一种无源探头是低电容探头或者低阻探头。这些探头被设计成10：1的衰减到示波器的50Ohm输入终端。与高阻探头利用补偿电容提供平坦的频率响应不同，低电容探头使用传输线技术获得很宽的带宽。一个典型的低电容探头如图6所示。

图6 典型的低电容探头

示波器的输入电阻R2提供匹配端接给低损同轴电缆。理想情况下，端接电缆为50Ohm，为R1的纯电阻负载。串联电阻决定探头的输入电阻和衰减因子。例如，10：1，500Ohm探头，其值应该为450Ohm。低阻探头可以达到8GHz的带宽，上升时间为50ps，输入电容为0.5pF。由于这些探头已经做了针对高频应用的优化，因此不提供额外探头尖端和地连接的选择。低电容探头被用于在50Ohm负载阻抗电路中的宽带宽和快沿信号测量。对于这些应用，低阻探头提供很好的频率限于和相对低的价格。低阻探头另外一个优点是其不需要提供额外的补偿去匹配示波器的输入。

2. 低电容探头如何影响测量

典型的低电容探头具有10：1的衰减、1pF的输入电容和500Ohm的电阻。相对低的输入电阻使得这些探头局限于应用于具有50Ohm阻抗的电路。如下图所示：

图7 TT逻辑门电路驱动传输线的情况

图7表示TTL逻辑门电路驱动传输线的情况。传输线具有120Ohm的特性阻抗，一个电阻分压网络提供大约3.5V的偏置电压给该逻辑门。之所以要使用这样的端接是因为高电平时TTL只能输出几毫安的电流，偏置电压可以增强抗噪能力。如果一个500Ohm，10：1的探头在接收端测量这样的信号，会使得端接电阻变为98Ohm，从而使偏置电压变为2.7V。只有在不会改变待测电路端接特性的场合才适合低电容探头。表3将输出电压和

误差作为探头输入电阻的函数。

表3 输出电压和误差作为探头输入电阻的函数

传输线端接一个等于其特性阻抗的电阻叫做匹配。如果传输线没有很好的匹配将会造成信号失真。如果是连续信号，其电压或电流会形成驻波。如果为脉冲信号，会引起信号反射，反射的幅度和时间性取决于失配的程度。传输信号和反射信号引起了波形的严重失真。图8给出了观察信号由于反射引起失真的试验步骤。

图8 信号由于反射引起失真

图8 的测试连接显示，端接电阻RO控制反射信号的幅度和极性，信号源产生1MHz方波，信号源的阻抗Zs用来匹配传输线的特性阻抗。使用50Ohm、10：1探头来连接测试点。

图9 良好端接的波形

图9显示了端接良好的波形，当传输线没有被很好的匹配其特性阻抗。对于阶跃信号或者脉冲波形，将会产生反射。反射波的幅度和入射波幅度由如下公式给出：

式中R0表示端接电阻、Z0表示传输线的特性阻抗，T表示发射系数。在下面例子中，

1. 分别为0、u、75ohm。发射系数分别为-1、+1和+1/3。

图10 短路造成的反射

短路时的反射系数为-1，阶跃信号波形的幅度为+1.8V，其发射波形为-1.8V。时间取决于线缆长度。以RG58为例，其传输延迟大约为1.5ns/foot。入射波和反射波的延迟为12ns。这点可以在被测波形上看到，原来的方波信号由于反射信号的影响，形成了一个负的窄脉冲叠加在原来的波形上。

图11 75Ohm造成的反射

开路端接造成的反射波具有相同幅度和极性，反射波叠加了二个、延迟的跳变波形。

图12 开路造成的反射

认识到不好的端接匹配将带来波形失真很重要，低电容探头使用传输线的特性来减小输入电容，必须工作在特定的负载阻抗（典型值为50Ohm），并且也必须配合具有很好的50ohm端接的高带宽示波器一起使用。