示波器帶寬主要定義

而那些帶寬規(guī)格超過1 GHz的示波器通常則具備最大平坦頻率響應(yīng)，如圖2所示。這種頻響通常表現(xiàn)為帶內(nèi)響應(yīng)較平緩，而在約-3 dB頻率處滾降較陡。 示波器的這兩種頻率響應(yīng)各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。具備最大平坦頻響的示波器比具備高斯頻響的示波器對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的衰減較小，也就是說前者對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的測(cè)量更精確。但具備高斯頻響的示波器比具備最大平坦頻響的示波器對(duì)帶外信號(hào)的衰減小，也就是說在同樣的帶寬規(guī)格下，具備高斯頻響的示波器通常具備更快的上升時(shí)間。然而，有時(shí)對(duì)帶外信號(hào)的衰減大有助于消除那些根據(jù)奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)(fMAX < fS)可能造成混迭的高頻成分。關(guān)于 奈奎斯特采樣理論更深入的探討，請(qǐng)參看 安捷倫應(yīng)用筆記1587(Agilent Application Note 1587) 。

不論您手頭的示波器具備高斯頻響、最大平坦頻響還是介于二者之間，我們都將輸入信號(hào)通過示波器后衰減3 dB時(shí)的最低頻率視為該示波器的帶寬。示波器的帶寬和頻響可以利用正弦波信號(hào)發(fā)生器掃頻測(cè)量得到。信號(hào)在示波器-3dB頻率處的衰減轉(zhuǎn)換后可表示為約-30%的幅度誤差。因此，我們不能奢望對(duì)那些主要的頻率成分接近示波器帶寬的信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量。

與示波器帶寬規(guī)格緊密相關(guān)的是其上升時(shí)間參數(shù)。具備高斯頻響的示波器，按照10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)衡量，上升時(shí)間約為0.35/fBW。具備最大平坦頻響的示波器上升時(shí)間規(guī)格一般在0.4/fBW范圍上，隨示波器頻率滾降特性的陡度不同而有所差異。但我們必須記住的是，示波器的上升時(shí)間并非示波器能精確測(cè)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(0 ps)時(shí)，示波器能夠得到的最快邊沿速度。盡管實(shí)際上這種理論參數(shù)不可能測(cè)得到，因?yàn)槊}沖發(fā)生器不可能輸出邊沿?zé)o限快的脈沖，但我們可以通過輸入一個(gè)邊沿速度為示波器上升時(shí)間規(guī)格的3到5倍的脈沖來測(cè)量示波器的上升時(shí)間。

經(jīng)驗(yàn)告訴我們，示波器的帶寬至少應(yīng)比被測(cè)系統(tǒng)最快的數(shù)字時(shí)鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，那么該示波器就能以最小的信號(hào)衰減捕捉到被測(cè)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)的整體形狀方面非常重要。但如果需要對(duì)高速邊沿進(jìn)行精確測(cè)量，那么這個(gè)簡(jiǎn)單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實(shí)際高頻成分。

公式:fBW≥5xfclk

確定示波器帶寬的一個(gè)更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號(hào)中存在的最高頻率，而不是最大時(shí)鐘速率。數(shù)字信號(hào)的最高頻率要看設(shè)計(jì)中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設(shè)計(jì)中最快的信號(hào)的上升和下降時(shí)間。這一信息通常可從設(shè)計(jì)中所用器件的公開說明書中獲取。

利用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算信號(hào)的最大"實(shí)際"頻率成分。HowardW.Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數(shù)字設(shè)計(jì)》。在書中，他將這一頻率成分稱為"拐點(diǎn)"頻率(fknee)。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個(gè)拐點(diǎn)(或稱"knee")，高于該頻率的頻率成分對(duì)于確定信號(hào)的形狀就無關(guān)緊要了。 第二步:計(jì)算fknee

fknee=0.5/RT(10%-90%) fknee=0.4/RT(20%-80%)

對(duì)于上升時(shí)間特性按照10%到90%閥值定義的信號(hào)而言，拐點(diǎn)頻率fknee等于0.5除以信號(hào)的上升時(shí)間。對(duì)上升時(shí)間特性按照20%到80%閥值定義的信號(hào)而言(如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式)，fknee等于0.4除以信號(hào)的上升時(shí)間。但注意不要把此處的信號(hào)上升時(shí)間與示波器的上升時(shí)間規(guī)格混淆了，我們這里所說的是實(shí)際的信號(hào)邊沿速度。 第三步就是根據(jù)測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間所需的精確程度來確定測(cè)量該信號(hào)所需的示波器帶寬。表1給出了對(duì)于具備高斯頻響或最大平坦頻響的示波器而言，在各種精度要求下需要的示波器帶寬與fknee的關(guān)系。但要記住的是，大多數(shù)帶寬規(guī)格在1GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過1GHz的通常則為最大平坦頻響型的。 表1:根據(jù)需要的精度和示波器頻率響應(yīng)的類型計(jì)算示波器所需帶寬的系數(shù) 第三步:計(jì)算示波器帶寬

下面我們通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行講解:

對(duì)于在測(cè)量500ps上升時(shí)間(10-90%)時(shí)具有正確的高斯頻率響應(yīng)的示波器，確定其所需的最小帶寬;如果信號(hào)的上升/下降時(shí)間約為500ps(按10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)定義)，那么該信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分fknee=(0.5/500ps)=1GHz

如果在進(jìn)行上升時(shí)間和下降時(shí)間參數(shù)測(cè)量時(shí)允許20%的定時(shí)誤差，那么帶寬為1GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測(cè)量應(yīng)用的要求。但如果要求定時(shí)精度在3%范圍內(nèi)，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。

20%定時(shí)精度:示波器帶寬=1.0x1GHz=1.0GHz

3%定時(shí)精度:示波器帶寬=1.9x1GHz=1.9GHz

多年之前，大多數(shù)示波器廠商就建議用戶在選擇示波器時(shí)，帶寬至少應(yīng)比最大信號(hào)頻率高3倍。盡管這一"3X"準(zhǔn)則并不適用于以時(shí)鐘速率為基礎(chǔ)的數(shù)字應(yīng)用，但它卻仍然適用于已調(diào)RF信號(hào)測(cè)量等模擬應(yīng)用。為了便于讀者理解這一三倍乘子的來歷，我們來看一個(gè)1GHz帶寬示波器的真正頻率響應(yīng)。

從圖中可以看出，恰好在1GHz處，輸入信號(hào)衰減約為1.7dB，這還遠(yuǎn)未超出定義示波器帶寬的-3dB限。然而，要想精確測(cè)量模擬信號(hào)，我們只能利用示波器帶寬中衰減最小的相對(duì)平坦的那部分頻帶。對(duì)該示波器而言，在其1GHz帶寬的大約三分之一處，輸入信號(hào)基本沒有衰減(衰減為0dB)。但并非所有示波器都具備這樣的頻響。

這正是一個(gè)遠(yuǎn)非平坦頻響的例子。該示波器的頻響既不是高斯頻響也不是最大平坦頻響，反而更像"最大起伏"頻響，而且尖峰現(xiàn)象很嚴(yán)重，這會(huì)導(dǎo)致波形嚴(yán)重失真，不論測(cè)量的是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)。不幸的是，示波器的帶寬規(guī)范(即輸入信號(hào)衰減為3dB的頻率)中對(duì)在其他頻率上的信號(hào)衰減或放大沒有任何規(guī)定。在這臺(tái)示波器上，即便是在示波器帶寬的五分之一處，信號(hào)也有大約1dB(10%)的衰減。因此，在這種情況下再根據(jù)3X準(zhǔn)則選擇示波器就很不明智了。所以，在挑選示波器時(shí)，最好是選擇著名廠商的產(chǎn)品，而且要密切注意示波器頻響的相對(duì)平坦度。

對(duì)數(shù)字應(yīng)用而言，示波器帶寬至少應(yīng)比被測(cè)設(shè)計(jì)的最快時(shí)鐘速率快5倍。但在需要精確測(cè)量信號(hào)的邊沿速度時(shí)，則要根據(jù)信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分來決定示波器帶寬。

對(duì)模擬應(yīng)用而言，示波器帶寬至少應(yīng)比被測(cè)設(shè)計(jì)中的模擬信號(hào)最高頻率高3倍，但這一經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則只適用于那些在低頻段上頻響相對(duì)平坦的示波器。

而且我們選擇示波器時(shí)也不能只顧眼前，不管將來。只要預(yù)算允許，在今天購買稍優(yōu)于應(yīng)用最低要求的示波器可能會(huì)在將來為您節(jié)約不少投資。

MS310、 MS410、MS510、MS610、MS710 100MHz

MS320、 MS420、MS520、MS620、MS720 200MHz