示波器探头带宽如何影响测量精度

所有的测量系统都有一定的带宽，在带宽范围内，示波器探头也不例外。所有示波器探头都有一个与它们的输入电容相关的带宽规格，探头的带宽在设计时就考虑到了这个电容。示波器还具有内置的前端滤波功能，可以限制测量带宽。考虑到这些要点，如何选择示波器探头以使捕获的测量具有最高的精度?

由于带宽影响示波器探头的测量能力，它也限制了用特定探头捕获的测量精度。要了解原因，我们必须看看示波器探头的内部结构(和等效电路)。

带宽与精度关系

术语“精度”在测量上下文中是指用仪器捕获的信号与被测量的真实信号最相似。因此，看一个在频域中任意输入信号时，探头带宽需要超过信号带宽。从数学上讲，我们可以这样写:

大多数更简单的示波器探头可以从分销商那里购买，探头带宽达到~100 MHz，这基本上与大多数预算范围的带宽相匹配。更先进的示波器可能提供一个探头，提供更高的带宽，或者你将不得不从供应商购买一个额外的探头。在任何一种情况下，探头带宽将是一个限制因素，决定什么可以被准确测量。

为了量化探针带宽如何限制精度，我们必须看看探针的内部结构。

示波器探头等效电路

所有不包括补偿的示波器探头将作为并行RC电路，因此它们具有低通滤波器行为．的输入电容探针的并联电阻将限制探针对快速输入交流信号的响应能力。结果是探头的低通滤波作用在收集的信号振幅中产生了一些滚转。

一种量化探针带宽的方法是根据其RC时间常数。探头输入电路的RC时间常数可用于定义脉冲信号上升时间方面的带宽限制。如果我们考虑到上述RC电路需要2.2个时间常数来观察10%-90%的上升时间，那么输入脉冲的带宽限制将由经典的膝盖频率公式给出:

振幅精度

这种滚脱效应在探头响应中的结果是振幅精度的降低。当达到带宽限制时，采集的振幅开始下降，这意味着采样的振幅略低于被测信号的真实振幅。如下所示;在额定探头带宽的30%时，误差约为3%。

振幅精度由于示波器探头带宽限制。

相位精度比较复杂，需要将测量的时域波形与参考振荡器或参考信号进行比较。示波器探头、输入端口和内部相位延迟也必须知道。对于数字，我们通常不担心这一点，除非在评估数字计时应用程序时。然而，它对于模拟和射频应用是非常重要的。关于这方面的更多内容将在另一篇文章中讨论。

输入带宽也限制了准确性

示波器探头带宽显然很重要，在讨论精度时不可忽视。然而，示波器前端也限制了信号测量的准确性。示波器前端的结构和数字采样的性质都限制了可以精确解析的信号带宽。示波器前端的带宽限制和采样能力可以用两种方式量化:

• 采样率-定义混叠开始发生的奈奎斯特频率
• 带宽限制——在示波器的输入端口上定义振幅滚转

数字示波器(包括市场上大多数新的示波器)通常指定采样率。理想情况下，我们希望拥有以下内容:

至少在这种情况下，探头不再是决定精度的限制因素，可以获得瞄准镜的全部测量能力。

当瞄准镜的带宽已知时，重要的是要注意，这限制了可以在没有预拍摄伪影的情况下准确采样的信号带宽，即吉布现象。示波器的前端通常是一个高阶滤波器(4阶或更高阶)，它会严重衰减某些截止点以上的输入信号。结果是，当达到带宽限制时，精度下降得更快。如果我们根据脉冲的边缘率来量化这一点，那么示波器带宽需要远远大于0.35/(上升时间)。

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