01理解示波器帶寬---上升時間和信号保真度

當示波器用戶選擇示波器進行關鍵的測量時，示波器的主要參數指标往往是選擇哪一款示波器的唯一标準。示波器最主要的指标參數是：

（1）帶寬；
（2）采樣率；
（3）記錄長度。

帶寬- 這個指标能告訴我們什麼？

模拟帶寬是一個測量指标，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号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隻有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)。由于大多數信号是比正弦波複雜的多，使用示波器測量信号的通用法則是：示波器的帶寬是被測信号的頻率的5倍。

帶寬- 不能告訴我們什麼？

最典型的用戶選擇示波器顯示和測量複雜的電和光信号，觀測信号在示波器上幅度對時間的顯示。模拟帶寬，一個示波器重要的指标，它應該定義在頻域，而不是在時域。根據采樣理論，複雜的信号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，可以看到被采樣信号的頻率成分，然而，如果要充分描述這些頻率成分的特點，就必須知道組成複雜信号的每個成分的準确幅度和相位信息。在這種情況下，帶寬除了能夠告訴将怎樣捕獲這些細節，其它什麼也不能告訴我們。從帶寬的測量角度，我們隻知道，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系是什麼？

除了對通用的信号分析，大多數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（一般普通信号的tr=7%*T，其中：T=1/Fclock）。實際信号的帶寬：信号諧波幅值将為0次波（基波）的70%（即下降3dB）時的諧波頻率。

這裡的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，示波器的放大器大多數使用的是一階高斯型RC低通濾波器的響應模型。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号标準所需要的測量系統帶寬的建議，建議的系統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，儀器系統很多因數都會影響在示波器測試上升時間結果的精度，這些因數包括信号源，探頭，以及示波器。圖3表格是假設信号和示波器的測試系統都是一階響應特性，但是在實際上，特别是今天的高速串行信号，這個假設與實際相差甚遠。對于最大平坦包絡延遲響應，示波器的帶寬和上升時間的關系系數接近0.45。在圖3中，可以看出上升時間和帶寬比例系數的變化，20GHz 幅頻響應模型也發生變化，從簡單的一階響應到32 階響應。16 階和32階響應類似現在的高性能示波器的響應特性，這類高性能示波器的tr/BW 比例系數接近0.4或0.45。對于這樣的比例系數，示波器的幅頻響應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，那麼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複雜信号。什麼是真正意義上最好的示波器？兩台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和相位響應！因此，隻有知道示波器的帶寬，将無法可靠地知道其測量能力或其能夠準确捕捉複雜信号(像高速串行數據流)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果是否一緻值得商榷。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号去測量。

02探頭帶寬和上升時間

帶寬
為了滿足示波器探頭設計要求，探頭帶寬是大頻率範圍。例如，一個100 MHz的示波器探頭要求所測量的頻率範圍達到100MHz，探頭能夠捕捉信号在指定頻率範圍的變化。事實上，每個探頭制造商認為，在最大指定的帶寬，探頭的頻率響應是下降3dB。在頻率超出了3dB點，信号幅度會大大衰減，測量結果可能是不可預測的。精确測量幅度的原則是：測量系統的帶寬應是被測波形頻率的3至5倍以上。這個建議可确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，建議捕獲100MHz的方波信号。

關于帶寬見圖1，随着頻率的增加，信号的幅度衰減。同樣地 如前所述，探頭制造商指定帶寬到3dB内的幅度損失對測試信号沒有明顯影響，在3dB外，随着高頻成分的衰減，在方波信号的上升和下降邊緣發生明顯的變化。使用探頭測試信号時，選擇探頭帶寬應是被測信号頻率的3 到5 倍以上 ，幅度誤差從在3 dB 上的 30% 減少至約3%。

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複現複雜波形形狀的。要充分理解其波形複現過程，階躍響應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快很多的階躍信号來評估系統的階躍響應，從而得到的上升時間。選用探頭的規則，探頭的上升時間應該比被測信号的上升時間快3至5倍。

示波器采樣率

常見的數字存儲示波的采樣率單位是1GS/s，代表什麼含義？

是每秒采樣1G個點。但是，數字示波器的采樣率不是固定不變的，随着你的屏幕分辨率不同，其每秒采樣的次數也不同。1G是指采樣的最大值。

記錄長度

記錄長度=采樣速率×掃速×10。

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