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上升时间的测量三要素

在精确的时域测量中,上升时间是一个关键参数,尤其对于高速数字信号而言。然而,在示波器上观察到的上升时间并非信号本身的真实上升时间,而是信号源上升时间(被测信号)、探头带宽和示波器带宽这三个要素共同作用的综合结果。理解这三者之间的关系,是进行精确测量的基础。

 

1、信号源上升时间

在典型的测量系统中,上升时间是指信号从阶跃幅值的 10%上升到 90%所需的时间。对于一个单极点的理想系统,上升时间与带宽的乘积是一个常数:

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这个公式是理解三要素相互作用的基石。例如,一个带宽为100MHz的探头,其自身的上升时间理论值约为3.5ns

当信号源、探头和示波器联成一个完整的测量通道时,我们在屏幕上看到的上升时间(即总上升时间)并非三者简单的代数和。在高斯响应系统中,它们遵循方均根RMS的合成:

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在于理解这数学模型时,更在于遵循系统带宽为信号3-5的工程准则,才能确保测量结果反映的是信号的本来面目,而非测试系统本身的局限。

 

2、示波器带宽

无论是模拟电路还是数字电路,示波器都需要具有足够的带宽以如实地再现信号。对于模拟信号测量,待测信号的最高频率将决定示波器的带宽。对于数字信号测量,通常是上升时间决定所需要的示波器带宽。本次检测的脉冲信号板-0.4Vpp@Trise=100ps,且仅用同轴线连接信号源与示波器,根据上述公式:

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实践:带宽500M和带宽350M两台的示波器检测脉冲信号板,下图所示检测上升时间波形图:图1500M,图2350M

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分析:两台示波器都设置了50ohm输入阻抗,达到了阻抗匹配。则500M示波器的测试结果0.61ns350M示波器的测试结果0.723ns。测试结果比理论计算值还要小,只说明示波器带宽不止500M350M,已经达到最大带宽输出。

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3、探头带宽

仅用示波器检测信号源,测试出来的结果接近示波器带宽最大输出。若再加入探头,三者联成测试系统,对应的总上升时间是多少呢?

使用350M示波器,分别搭配350MHz光隔离探头和150MHz光隔离探头,脉冲信号板-0.4Vpp@Trise=100ps。根据公式计算:

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实践:图3350MHz光隔离探头,图4150MHz光隔离探头

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分析:实际350M光隔离探头的测试结果1.89ns150M光隔离探头的测试结果2.67ns,若将考虑示波器和探头带宽误差考虑进去,则测试数据是接近理论计算。

为了确保测量精度,必须根据被测信号的特性来合理搭配探头和示波器。如果测量系统的上升时间不够快,测得的上升时间将主要反映系统本身的特性,而非信号的真实情况。

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