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前幾天的文章介紹了本人目前用到的幾款示波器，基本上也是示波器的發(fā)展過程,，但是對(duì)于示波器的關(guān)鍵指標(biāo)沒有具體進(jìn)行介紹,，下面幾篇文章就具體的來嘮一嘮。

示波器的帶寬

圖：泰克官網(wǎng)標(biāo)注的示波器帶寬

帶寬通常為示波器的第一指標(biāo),，也是我們在選擇示波器時(shí)首要考慮的因素,。信號(hào)經(jīng)過探頭進(jìn)入示波器后，首先經(jīng)過的就是放大器和衰減器,，它們決定了示波器的帶寬大小,，在沒有特別說明的情況下我們說的帶寬是示波器模擬前端放大器的帶寬，也就是-3dB截止點(diǎn),。

在示波器上一般有兩個(gè)地方可以查看帶寬：

①一般在示波器的左上角或右上角會(huì)標(biāo)注帶寬的大小,。

②在示波器的設(shè)備-儀器參數(shù)下可以看到帶寬的大小。

示波器放大器的典型電路如下圖所示（放大器具體原理請(qǐng)查詢模擬電路資料）,，這種放大器可以等效為RC低通濾波器,，因此等效電路推導(dǎo)出來的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系，可以得出理想的幅頻特性曲線,。

圖：放大器的典型電路

圖：放大器的等效電路模型

圖：放大器的理想波特圖

對(duì)于放大器而言,，其增益隨著輸入信號(hào)的頻率增高而會(huì)下降，f2為輸出電壓降低到輸出電壓0.707時(shí)的頻率點(diǎn),，此時(shí)增益下降了-3dB,。一般把放大器增益下降-3dB 對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)稱為這個(gè)放大器的帶寬，示波器的帶寬也是用同樣方法定義的,。

-3dB是怎么來的,？

-3dB也叫半功率點(diǎn)或者截止頻率點(diǎn)，該點(diǎn)的功率正好為總功率的一半,。

  所以-3dB即功率增益下降1/2,，電壓增益下降0.707時(shí)的增益。

假設(shè)對(duì)于一臺(tái)標(biāo)稱帶寬為1GHz 的示波器,，輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的50MHz,，1V 峰峰值的正弦波信號(hào),在示波器上測量到的信號(hào)幅度為 A;然后將輸入信號(hào)的幅度保持不變,頻率逐漸增加到1GHz.這時(shí)在示波器上測量到的信號(hào)幅度為B,。如果20lg(B/A)的計(jì)算結(jié)果沒超過-3dB(例如為-2.8dB),這臺(tái)示波器就是合格的,，否則就是不合格的,。對(duì)于示波器的帶寬檢定通常使用的也是這種方法,。

需要注意的是-3dB是按照信號(hào)功率計(jì)算的，相當(dāng)于信號(hào)的功率增益下降1/2, 但示波器測量的是電壓信號(hào),，所以-3dB相當(dāng)于示波器電壓的增益隨著頻率的增加下降到原來的0.707倍,。因此標(biāo)準(zhǔn)的50MHz,，1V 峰峰值的正弦波信號(hào)，用1GHz的示波器測量的電壓幅度是1V,，當(dāng)頻率增加到1GHz以后,，這時(shí)測量到的信號(hào)幅度可能只有0.7V左右。

從前面的例子可以看出,示波器并不是對(duì)帶寬內(nèi)的所有頻率信號(hào)都保持相同的測量精度的,被測信號(hào)頻率越接近帶寬附近,，測量結(jié)果的幅度誤差越大,，如果這個(gè)幅度誤差超過了可以接收的范圍,就要考慮用更高帶寬的示波器進(jìn)行測量。另外示波器也不是絕對(duì)不可以對(duì)超過帶寬的信號(hào)進(jìn)行測量,如果被測信號(hào)的頻率只是稍微超過了示波器的帶寬,雖然信號(hào)的衰減會(huì)比較大,但大概的頻率周期等時(shí)間信息還是比較準(zhǔn)確的(對(duì)正弦波信號(hào)),。

測試對(duì)于帶寬的要求

在信號(hào)測試中我們常用的普適原則就是“示波器帶寬必須為被測信號(hào)頻率的5倍及以上”,。如果選擇的示波器滿足這一要求，那么該示波器就能以最小的信號(hào)衰減捕捉到被測信號(hào)的5次諧波,。信號(hào)的5次諧波在確定數(shù)字信號(hào)的波形重建方面非常重要,。

注意：信號(hào)的帶寬和頻率沒有任何關(guān)系，只和信號(hào)的沿有關(guān),。上面只是提供了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。

但如果需要對(duì)高速信號(hào)邊沿進(jìn)行精確測量,，那么這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式有點(diǎn)草率,，因?yàn)榕c示波器帶寬緊密相關(guān)的是其上升時(shí)間。

圖：泰克MSO5系示波器中標(biāo)注的帶寬與其上升時(shí)間

示波器的上升時(shí)間不是示波器能夠精確測量的最快的邊緣速度,，而是當(dāng)輸入信號(hào)具備理論上無限快的上升時(shí)間（0ps）時(shí),，示波器能夠達(dá)到的最快邊沿速度。這種理論參數(shù)不可能測得到,，實(shí)際使用中可以通過輸入一個(gè)邊沿速度為示波器上升時(shí)間快3到5倍的邊沿信號(hào)來測量示波器的上升時(shí)間,。

測試案例

下圖為使用100M帶寬的示波器測量一個(gè)邊沿速度為500ps的100MHz方波時(shí)鐘的波形結(jié)果，可以看到示波器只能讀到時(shí)鐘信號(hào)的100MHz基本頻率成分,，但是波形已經(jīng)嚴(yán)重變形,，說明使用100M帶寬的示波器來測量100MHz的的方波信號(hào)明顯不夠用。

接下來提高示波器帶寬到500M重新在測試一次,，從圖中可以看出,，示波器能捕獲到信號(hào)的5次諧波，也滿足了傳統(tǒng)計(jì)算方法的建議,，但是上升沿測得為750ps,，這個(gè)結(jié)果很接近它自己的上升時(shí)間（700ps）,而不是輸入信號(hào)的上升時(shí)間，因此需要更高帶寬的示波器才能滿足這一要求,。

下圖為將帶寬提高到1G后重測的波形,，可以測量到上升時(shí)間為550ps，測量誤差為10%,，這一測量結(jié)果基本夠用,，如果要求更高的精度，那么需要采用更高帶寬的示波器。

進(jìn)一步換用2G帶寬的示波器測到的波形,，此時(shí)是比較精確的時(shí)鐘信號(hào),，上升時(shí)間測量結(jié)果為495ps.

對(duì)數(shù)字應(yīng)用而言,簡單地估算示波器帶寬至少應(yīng)比被測設(shè)計(jì)的最快時(shí)鐘速率快 5倍(保證基本的信號(hào)形狀),但在需要精確測量信號(hào)的邊沿或者時(shí)序時(shí),則要根據(jù)信號(hào)的最快邊沿來估算其信號(hào)帶寬，從而決定需要的示波器帶寬,。

總結(jié)

帶寬可以說是示波器最重要的指標(biāo)之一,，在硬件開發(fā)或測試面試中也是經(jīng)常問到的問題之一，“在測試中,，對(duì)于示波器的帶寬你是怎么選擇的,？”

之前提到的普適原則，“示波器帶寬必須為被測信號(hào)頻率的5倍及以上”,，在這里是正確的,。

實(shí)際上信號(hào)的帶寬是和信號(hào)的上升沿相關(guān)的，并不是頻率低的信號(hào)帶寬就低,，頻率高的信號(hào)帶寬就高,。

信號(hào)的最高頻率成分=0.5/信號(hào)上升時(shí)間（10%-90%）

信號(hào)的最高頻率成分=0.4/信號(hào)上升時(shí)間（20%-80%）

此時(shí)我們認(rèn)為示波器的帶寬只要高于信號(hào)的最高頻率成分，則可認(rèn)為示波器能夠滿足測試要求,。

最后在高速信號(hào)測量時(shí)還要考慮示波器本身的上升時(shí)間,，不能測量一個(gè)上升沿時(shí)間遠(yuǎn)大于示波器的最大上升沿時(shí)間的高速信號(hào)。

所以答案總結(jié)為以下三點(diǎn)：

①5倍帶寬普適原則：示波器帶寬必須為被測信號(hào)頻率的5倍及以上

②通過信號(hào)的上升沿時(shí)間來估算信號(hào)的真實(shí)帶寬

信號(hào)的最高頻率成分=0.5/信號(hào)上升時(shí)間（10%-90%）

信號(hào)的最高頻率成分=0.4/信號(hào)上升時(shí)間（20%-80%）

③在高速信號(hào)測量時(shí),，還要考慮示波器本身的上升沿時(shí)間是否滿足要求,。