搞懂示波器帶寬，原來(lái)這么簡(jiǎn)單！
[導(dǎo)讀]理解示波器帶寬——上升時(shí)間和信號(hào)保真度?當(dāng)示波器用戶(hù)選擇示波器進(jìn)行關(guān)鍵的測(cè)量時(shí)，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(zhǔn)。示波器最主要的指標(biāo)參數(shù)是：帶寬采樣率記錄長(zhǎng)度?帶寬，這個(gè)指標(biāo)能告訴我們什么？模擬帶寬是一個(gè)測(cè)量指標(biāo)，簡(jiǎn)單的定義是：示波器測(cè)得正弦波的幅度不低于真...
理解示波器帶寬——上升時(shí)間和信號(hào)保真度?當(dāng)示波器用戶(hù)選擇示波器進(jìn)行關(guān)鍵的測(cè)量時(shí)，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(zhǔn)。示波器最主要的指標(biāo)參數(shù)是：
- 帶寬
- 采樣率
- 記錄長(zhǎng)度
模擬帶寬是一個(gè)測(cè)量指標(biāo)，簡(jiǎn)單的定義是：示波器測(cè)得正弦波的幅度不低于真實(shí)正弦波信號(hào)3dB的幅度時(shí)的最高頻率（見(jiàn)的IEEE-1057）。如圖1所示，是一個(gè)理想的示波器帶寬和幅度測(cè)量誤差的曲線(xiàn)圖。
從圖1可以看出，當(dāng)被測(cè)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(shí)，幅度測(cè)量誤差大約30%。如果想測(cè)量正弦波的幅度誤差只有3%，被測(cè)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(hào)是比正弦波復(fù)雜的多，使用示波器測(cè)量信號(hào)的通用法則是：示波器的帶寬是被測(cè)信號(hào)的頻率的5倍。?
帶寬，不能告訴我們什么？
最典型的用戶(hù)選擇示波器顯示和測(cè)量復(fù)雜的電和光信號(hào)，觀(guān)測(cè)信號(hào)在示波器上幅度對(duì)時(shí)間的顯示。模擬帶寬，一個(gè)示波器重要的指標(biāo)，它應(yīng)該定義在頻域，而不是在時(shí)域。根據(jù)采樣理論，復(fù)雜的信號(hào)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(jiàn)圖2.利用頻譜分析，可以看到被采樣信號(hào)的頻率成分。
然而，如果要充分描述這些頻率成分的特點(diǎn)，就必須知道組成復(fù)雜信號(hào)的每個(gè)成分的準(zhǔn)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(xì)節(jié)，其它什么也不能告訴我們。從帶寬的測(cè)量角度，我們只知道，輸入一個(gè)頻率和帶寬相同的正弦波，示波器的幅度測(cè)量誤差為30%。
帶寬和上升時(shí)間的關(guān)系是什么？
除了對(duì)通用的信號(hào)分析，大多數(shù)的工程師也有對(duì)時(shí)間測(cè)量感興趣，如方波的上升時(shí)間和下降時(shí)間。因此，從指定的帶寬可以評(píng)估示波器系統(tǒng)的上升時(shí)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(hào)的tr=7%*T，其中：T=1/Fclock）。實(shí)際信號(hào)的帶寬：信號(hào)諧波幅值將為0次波（基波）的70%（即下降3dB）時(shí)的諧波頻率。
這里的0.35是示波器帶寬和上升時(shí)間(一階高斯模型時(shí)的10%-90％上升時(shí)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(gè)公式很容易計(jì)算出 tr上升時(shí)間，但實(shí)際往往不是這樣的。圖3的表格給出了不同信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)所需要的測(cè)量系統(tǒng)帶寬的建議，建議的系統(tǒng)帶寬能夠保證上升時(shí)間或其它測(cè)量得到合理的測(cè)試精度。
注意：儀器系統(tǒng)很多因數(shù)都會(huì)影響在示波器測(cè)試上升時(shí)間結(jié)果的精度，這些因數(shù)包括信號(hào)源，探頭，以及示波器。圖3表格是假設(shè)信號(hào)和示波器的測(cè)試系統(tǒng)都是一階響應(yīng)特性，但是在實(shí)際上，特別是今天的高速串行信號(hào)，這個(gè)假設(shè)與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。對(duì)于最大平坦包絡(luò)延遲響應(yīng)，示波器的帶寬和上升時(shí)間的關(guān)系系數(shù)接近0.45。
在圖3中，可以看出上升時(shí)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(jiǎn)單的一階響應(yīng)到32 階響應(yīng)。16 階和32階響應(yīng)類(lèi)似現(xiàn)在的高性能示波器的響應(yīng)特性，這類(lèi)高性能示波器的tr/BW 比例系數(shù)接近0.4或0.45。對(duì)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(huì)得到較好的補(bǔ)償，以便以最好的保真度捕獲和分析復(fù)雜信號(hào)。什么是真正意義上最好的示波器？?jī)膳_(tái)示波器具有相同帶寬性能可以有不同的上升時(shí)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(wú)法可靠地知道其測(cè)量能力或其能夠準(zhǔn)確捕捉復(fù)雜信號(hào)（像高速串行數(shù)據(jù)流）的能力。
同時(shí)，示波器的真實(shí)的上升時(shí)間和從示波器帶寬計(jì)算出的上升時(shí)間結(jié)果是否一致值得商榷。要得到示波器真實(shí)上升時(shí)間和下降時(shí)間，唯一可靠的途徑就是利用一個(gè)上升時(shí)間比示波器快的多的理想階躍信號(hào)去測(cè)量。
探頭帶寬和上升時(shí)間
1、帶寬
為了滿(mǎn)足示波器探頭設(shè)計(jì)要求，探頭帶寬是大頻率范圍。例如，一個(gè)100 MHz的示波器探頭要求所測(cè)量的頻率范圍達(dá)到100MHz，探頭能夠捕捉信號(hào)在指定頻率范圍的變化。
事實(shí)上，每個(gè)探頭制造商認(rèn)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(diǎn)，信號(hào)幅度會(huì)大大衰減，測(cè)量結(jié)果可能是不可預(yù)測(cè)的。
精確測(cè)量幅度的原則是：測(cè)量系統(tǒng)的帶寬應(yīng)是被測(cè)波形頻率的3至5倍以上。這個(gè)建議可確保足夠的帶寬捕獲非正弦波波形的高頻率成分，比如方波，一個(gè)帶寬是300MHz至500MHz測(cè)量系統(tǒng)，建議捕獲100MHz的方波信號(hào)。
關(guān)于帶寬見(jiàn)圖1，隨著頻率的增加，信號(hào)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(duì)測(cè)試信號(hào)沒(méi)有明顯影響，在3dB外，隨著高頻成分的衰減，在方波信號(hào)的上升和下降邊緣發(fā)生明顯的變化。使用探頭測(cè)試信號(hào)時(shí)，選擇探頭帶寬應(yīng)是被測(cè)信號(hào)頻率的3 到5 倍以上 ，幅度誤差從在3 dB 上的 30% 減少至約3%。
2、上升時(shí)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(duì)時(shí)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(guò)程，階躍響應(yīng)是獲取時(shí)域特性是必須的。時(shí)域特性通過(guò)探頭的上升時(shí)間來(lái)表征，輸入一個(gè)比測(cè)試系統(tǒng)快很多的階躍信號(hào)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，從而得到的上升時(shí)間。選用探頭的規(guī)則，探頭的上升時(shí)間應(yīng)該比被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間快3至5倍。
3、示波器采樣率
常見(jiàn)的數(shù)字存儲(chǔ)示波的采樣率單位是1GS/s，代表什么含義？是每秒采樣1G個(gè)點(diǎn)。但數(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。
4、記錄長(zhǎng)度
記錄長(zhǎng)度=采樣速率×掃速×10。
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