选择示波器探头时常犯的错误（上）

       大多数工程师低估了探头的重要性。没有探头，示波器就不能发挥任何作用。探头使您能够观察被测设备（DUT）现状。目前，市场上有数百个探头可供选择，但为您的特定测量选择合适的探头以获得准确的观测结果是非常重要的。许多工程师认为示波器标配的无源探头足够好，但事实并非如此。如果您的应用程序使用了错误的示波器探头，则可能会错过重要事件，得到错误的测量结果。

　　使用何种示波器探头的探测方法，对您在屏幕上看到的测量结果的准确性有很大影响。在进行测量之前，您应该主动了解其他工程师过去出现的错误，从中吸取经验教训：

　　如果您不知道应该关注示波器探头的哪些关键技术指标，那么就不可能确定自己的需求。技术资料通常包含大量数字列表。哪些才是您需要关注的？

　　人们最熟悉的技术指标就是带宽。探头的带宽范围从直流一直到大约30 GHz。对带宽的一个常见误解是以为带宽越大，可以看到的数据就越多。但事实并非总是如此。随着带宽的增加，许多关键技术指标都会发生变化，它们也是需要考虑的重要因素。

　　图2.不断提高的带宽如何影响其他关键技术指标。

　　噪声在各个频率之间均匀分布。这意味着探头带宽越高，引入的频率越多，进入信号的噪声也越多。为了防止发生这种情况，您应该根据下一节中介绍的计算方法，只使用需要的带宽。而且，还需要借助更专业化的探头来测量更高频率。当然，这需要加大开发力度，才能为敏感元件创造出如此专业化但成本较高的产品。使用带宽超过需求的探头可能会带来额外的成本、工作量和噪声，这些要素可能会大大地影响您的测量结果。

　　各类探头都有优点和缺点，对于您所进行的特定测试，您需要选择更合适的探头。充分理解关键技术指标，理解其对您的意义，将使探头选型变得更加容易。我们认为，与其查看技术资料中那些冗长的技术指标列表，不如研究文档其余部分更重要。

　　第2个错误：选择的探头带宽不合适

　　如果使用的探头带宽不正确，那么您可能会遗失信号细节，或者为系统引入不必要的噪声。为了加深理解，我们先来讨论带宽的意义。探头带宽本质上就是3 dB点。3 dB点是指探头输出相对于标称响应减少3 dB时的频率。

　　图3.3 dB点的显示结果。

　　假设用1:1探头测量1 Vpp的低频正弦波。由于您使用的是1:1探头，因此进入示波器的探头输出将等于设备输入探头的实际信号。但是，如果继续增加此1 Vpp信号的频率，那么最终您将到达一个点，在该点上探头输出远远小于输入探头的实际信号。当您

　　看到示波器屏幕上的输出相对于1 Vpp输入降为0.7 Vpp时，那么就表示您到达了3 dB点，因为相对于其标称响应，输出减少了3 dB。

　　图4.随着频率增加出现3 dB点的示例。

　　现在您已经了解了3 dB点理论，您可以利用它来改善测试。选择适合探头的第一步是了解信号的带宽。要确定信号带宽（BW），可以使用以下简单公式：如果我们测量的是10％和90％的阈值，则信号带宽等于上升时间除以0.35。如果测量的是20％和80％的阈值，则信号带宽等于上升时间除以0.22。

　　计算完信号带宽后，可根据以下两个经验选择探头带宽：

　　–探头带宽应该比模拟应用中最快的正弦波频率高3倍

　　–探头带宽应该比数字应用的最高数字时钟速率快5倍

　　根据这些快速计算方法，您可以大致确定何种探头带宽适合您的应用。随着上升时间加快，信号带宽随之增加，这意味着您需要带宽更高的探头。但请记住，带宽过高也会带来麻烦。

　　另一种考虑带宽的方法是以谐波为基础。一般而言，探头带宽越高，捕捉到的谐波越多，二者都会使信号精度稍有提高。如下面图5所示，原始信号为黄色迹线，一阶谐波为绿色迹线。您可以看到，它们具有相同的周期和占空比，但一阶谐波的上升沿明显较慢，并且拐角非常圆滑。蓝色迹线显示一阶和三阶谐波，其上升沿较快，角点变得更清晰。但在图像的底部，我们可以看到一阶、三阶和五阶谐波。其边沿平缓，拐角锐利，信号顶部和底部有很多细节。带宽越高，波形将显露出越多的细节。

　　图5.更高的带宽意味着更多谐波及更丰富的信号细节。

　　了解了上面的规律，我们来看一个用100 MHz探头测量100 MHz时钟的例子。完成这个测量后，您最终将会在屏幕上看到如图6所示的正弦波。因此，您无法得到准确的上升时间或任何真正的信号细节。这意味着您所做的任何测量都是不准确的，毫无意义。

　　图6.使用100 MHz探头测量100 MHz时钟信号。

　　但是，如果使用500 MHz探头测量相同的100 MHz信号，您就会有足够的带宽来捕获更多的谐波，从而得到更精确的信号表示。

　　图7.使用500 MHz探头测量100 MHz时钟信号。

　　由此可见，为您要处理的信号选择合适的探头带宽是多么重要。但带宽过高也不好，过犹不及。在确定多大带宽适合您的应用并选择正确的探头时，这些理论和快速计算方法可以帮助您不犯错误。