理解示波器帶寬，原來這么簡單

電子產(chǎn)品世界

2021年12月13日 10:34

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當(dāng)示波器用戶選擇示波器進行關(guān)鍵的測量時，示波器的主要參數(shù)指標(biāo)往往是選擇哪一款示波器的唯一標(biāo)準。示波器最主要的指標(biāo)參數(shù)是：

帶寬
采樣率
記錄長度

帶寬 —— 這個指標(biāo)能告訴我們什么？

模擬帶寬是一個測量指標(biāo)，簡單的定義是：示波器測得正弦波的幅度不低于真實正弦波信號3dB的幅度時的最高頻率（見的IEEE-1057）。如圖1，是一個理想的示波器帶寬和幅度測量誤差的曲線圖，從圖1可以看出，當(dāng)被測正弦波的頻率等于示波器的帶寬(示波器的放大器的響應(yīng)是一階高斯型)時，幅度測量誤差大約30%。

如果想測量正弦波的幅度誤差只有3%，被測正弦波的頻率要比示波器的帶寬要低很多(大約是示波器的帶寬的0.3倍)。由于大多數(shù)信號是比正弦波復(fù)雜的多，使用示波器測量信號的通用法則是：示波器的帶寬是被測信號的頻率的5倍。

帶寬 —— 不能告訴我們什么？

最典型的用戶選擇示波器顯示和測量復(fù)雜的電和光信號，觀測信號在示波器上幅度對時間的顯示。模擬帶寬，一個示波器重要的指標(biāo)，它應(yīng)該定義在頻域，而不是在時域。

根據(jù)采樣理論，復(fù)雜的信號在頻域包含豐富的頻譜成分(包含多次正弦波的諧波成分)，見圖2，利用頻譜分析，可以看到被采樣信號的頻率成分，然而，如果要充分描述這些頻率成分的特點，就必須知道組成復(fù)雜信號的每個成分的準確幅度和相位信息。

在這種情況下，帶寬除了能夠告訴將怎樣捕獲這些細節(jié)，其它什么也不能告訴我們。從帶寬的測量角度，我們只知道，輸入一個頻率和帶寬相同的正弦波，示波器的幅度測量誤差為30%。

帶寬和上升時間的關(guān)系是什么

除了對通用的信號分析，大多數(shù)的工程師也有對時間測量感興趣，如方波的上升時間和下降時間。因此，從指定的帶寬可以評估示波器系統(tǒng)的上升時間，我們可以使用下面公式：tr= 0.35/BW（或0.42/BW）；即：

BW =0.35/tr（或0.42/tr）=5*Fclock（一般普通信號的tr=7%*T，其中：T=1/Fclock）。實際信號的帶寬：信號諧波幅值將為0次波（基波）的70%（即下降3dB）時的諧波頻率。

這里的0.35是示波器帶寬和上升時間(一階高斯模型時的10%-90％上升時間)之間的比例系數(shù)，示波器的放大器大多數(shù)使用的是一階高斯型RC低通濾波器的響應(yīng)模型。使用這個公式很容易計算出 tr上升時間，但是，實際往往不是這樣的。

圖3的表格給出了不同信號標(biāo)準所需要的測量系統(tǒng)帶寬的建議，建議的系統(tǒng)帶寬能夠保證上升時間或其它測量得到合理的測試精度。注意，儀器系統(tǒng)很多因數(shù)都會影響在示波器測試上升時間結(jié)果的精度，這些因數(shù)包括信號源、探頭以及示波器。

圖3表格是假設(shè)信號和示波器的測試系統(tǒng)都是一階響應(yīng)特性，但是在實際上，特別是今天的高速串行信號，這個假設(shè)與實際相差甚遠。對于最大平坦包絡(luò)延遲響應(yīng)，示波器的帶寬和上升時間的關(guān)系系數(shù)接近0.45。在圖3中，可以看出上升時間和帶寬比例系數(shù)的變化，20GHz幅頻響應(yīng)模型也發(fā)生變化，從簡單的一階響應(yīng)到32階響應(yīng)。16階和32階響應(yīng)類似現(xiàn)在的高性能示波器的響應(yīng)特性，這類高性能示波器的tr/BW比例系數(shù)接近0.4或0.45。對于這樣的比例系數(shù)，示波器的幅頻響應(yīng)從低頻到示波器帶寬截止頻率的平坦度非常好。

另外，如果儀器使用非常好的濾波器，那么它的幅度和相位都會得到較好的補償，以便以最好的保真度捕獲和分析復(fù)雜信號。什么是真正意義上最好的示波器？兩臺示波器具有相同帶寬性能可以有不同的上升時間，以及不同的幅頻響應(yīng)和相位響應(yīng)。因此，只有知道示波器的帶寬，將無法可靠地知道其測量能力或其能夠準確捕捉復(fù)雜信號（像高速串行數(shù)據(jù)流）的能力。

同時，示波器的真實的上升時間和從示波器帶寬計算出的上升時間結(jié)果是否一致值得商榷。要得到示波器真實上升時間和下降時間，唯一可靠的途徑就是利用一個上升時間比示波器快的多的理想階躍信號去測量。

探頭帶寬和上升時間

帶寬

為了滿足示波器探頭設(shè)計要求，探頭帶寬是大頻率范圍。例如，一個100MHz的示波器探頭要求所測量的頻率范圍達到100MHz，探頭能夠捕捉信號在指定頻率范圍的變化。事實上，每個探頭制造商認為，在最大指定的帶寬，探頭的頻率響應(yīng)是下降3dB。在頻率超出了3dB點，信號幅度會大大衰減，測量結(jié)果可能是不可預(yù)測的。

精確測量幅度的原則是：測量系統(tǒng)的帶寬應(yīng)是被測波形頻率的3至5倍以上。這個建議可確保足夠的帶寬捕獲非正弦波波形的高頻率成分，如方波。例如，一個帶寬是300MHz至500MHz測量系統(tǒng)，建議捕獲100MHz的方波信號。

關(guān)于帶寬見圖1，隨著頻率的增加，信號的幅度衰減。同樣地，如前所述，探頭制造商指定帶寬到3dB內(nèi)的幅度損失對測試信號沒有明顯影響，在3dB外，隨著高頻成分的衰減，在方波信號的上升和下降邊緣發(fā)生明顯的變化。使用探頭測試信號時，選擇探頭帶寬應(yīng)是被測信號頻率的3到5倍以上，幅度誤差從在3dB上的30%減少至約3%。

上升時間

帶寬描述了頻域特性，但不提供完整的描繪探頭，示波器是如何對時間復(fù)現(xiàn)復(fù)雜波形形狀的。要充分理解其波形復(fù)現(xiàn)過程，階躍響應(yīng)是獲取時域特性是必須的。時域特性通過探頭的上升時間來表征，輸入一個比測試系統(tǒng)快很多的階躍信號來評估系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，從而得到的上升時間。選用探頭的規(guī)則，探頭的上升時間應(yīng)該比被測信號的上升時間快3至5倍。

示波器采樣率

常見的數(shù)字存儲示波的采樣率單位是1GS/s，代表什么含義？是每秒采樣1G個點。但是，數(shù)字示波器的采樣率不是固定不變的，隨著你的屏幕分辨率不同，其每秒采樣的次數(shù)也不同。 1G是指采樣的最大值。

上升時間記錄長度

記錄長度=采樣速率×掃速×10。

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