關(guān)于示波器的幅頻特性曲線

幅頻特性曲線的計量和示波器的垂直量程有關(guān)，不同的量程得到的幅頻特性曲線不一樣，因此，需要計量不同量程時的幅頻特性曲線; 和采樣率有關(guān)，因為采樣率會影響到幅值測量的準確性，一般要將采樣率設(shè)置為最大; 和連接信號源與示波器接口之間的電纜有關(guān)，因為高頻時存在衰減和反射問題，和輸入信號的幅值大小有關(guān)，因此要用功率計來保證不同頻率時的輸出功率相同; 和示波器的輸入通道有關(guān)，不同輸入通道相同量程下的的幅頻特性曲線可能不一樣。

考慮到計量科學(xué)的嚴謹性，還有幾個細節(jié)問題需要討論：

(1)不同量程下輸入正弦信號的幅值如何定義？

標(biāo)定在不同量程下的幅頻特性曲線需要輸入不同幅值的正弦波信號，否則對于有些量程，波形會超出示波器屏幕，而有些量程下波形只占屏幕的一小部分,量化誤差很大。

輸入信號的幅值大小一般以盡量占滿柵格為準。據(jù)說有規(guī)范上要求是以低頻時占滿柵格的6格為準。具體做法就是：在輸入很低頻率時調(diào)節(jié)信號源的輸出幅值，使信號占滿6格，用功率計測量此時信號的功率，然后逐漸增加頻率，在每一個頻率點都用功率計標(biāo)定，確保輸入到示波器輸入端口的能量始終是相同的，然后再測量每個頻率點的幅值。

(2)幅頻特性曲線的縱坐標(biāo)的測量參數(shù)該使用示波器測量的幅值，峰峰值還是標(biāo)準偏差值？

這個問題似乎不應(yīng)該討論，但卻一直在小范圍內(nèi)爭論不休，沒有結(jié)論。有的計量專家要求是以幅值為準，也有專家認為用峰峰值更合適，但也有認為最合理的是用標(biāo)準偏差（sdev）。對于低帶寬示波器，其實不管采用哪個測量參數(shù)，因為裕量比較大，爭議比較少，但在高端示波器，采樣率不是特別大的情況下，測量峰峰值和幅值的差別會比較大。對于現(xiàn)在有些低帶寬示波器，譬如在100MHz帶寬下，采樣率只有250MS/s，計量時用幅值或峰峰值的影響也一樣很大。

采用幅值的方法被稱為眾數(shù)法，就是以正弦波的頂部和底部出現(xiàn)概率最大的位置作為測量的依歸，如圖4所示top和base的算法原理。 這樣會去掉了頂部的一些樣本，以略低于頂部的位置來讀數(shù)。但是峰峰值卻可能把隨機噪聲也采樣進去。 筆者認為采用sdev更合理，但是這個測量參數(shù)不能被采納為計量標(biāo)準，因為有些低端示波器并沒有sdev這個測量參數(shù)。

圖4 幅值算法的來源

(3)是將實時采樣率設(shè)置為最大，還是等效采樣率設(shè)置為最大？

如果按照現(xiàn)在有些專家堅持采用幅值來作為計量依據(jù)，根據(jù)圖4的算法，幅值的測量精度強烈依賴于采樣樣本數(shù)的大小。如果采用等效采樣方式，可以在頂部和底部通過等效采樣的算法原理“產(chǎn)生”更密集的樣本，雖然這些樣本并不一定完全代表真實樣本，這對于計量中使用信號源輸出的正弦信號信號未必也不是一種好方法。 但是由于等效采樣畢竟不是完全代表真實的樣本信息，該方法也并沒有被專家們采納。

(4)是否可以采用正弦插值，插值多少個點是允許的？

在實時采樣前提下采用正弦插值同樣會增加幅值測量的準確性。筆者了解到正弦插值是可以被接受的，但是具體插值的樣本數(shù)的數(shù)量目前在計量界也沒有統(tǒng)一的說法。示波器打開正弦插值時默認的插值樣本數(shù)對于不同型號的示波器并不一樣，但是插值的樣本數(shù)量會影響到幅值測量精度。不同的插值樣本數(shù)可能帶來計量結(jié)果上的些微偏差。

(5)帶寬范圍以內(nèi)的幅頻特性曲線和理想曲線之間的偏差，光滑度如何定義？

這個問題揭示了示波器測量的一個最大的誤差來源。在示波器行業(yè)，并沒有一個規(guī)范來要求示波器的幅頻特性曲線在帶寬范圍以內(nèi)和理想曲線之間偏差控制在多大。只要在帶寬范圍以內(nèi)，任何量程下的任何頻率點的正弦信號的輸出電壓大小不降低到輸入的70.7%以下都認為該示波器的帶寬是滿足要求的。譬如100MHz帶寬的示波器，輸入100MHz，1V的正弦波，在20MHz時的輸出電壓是0.8V，在50MHz時是1.2V，在80MHz時是0.73V，在100MHz時是0.71V。這個示波器是合格的！這樣的數(shù)字化方式來表達這個概念讓人印象深刻，但也讓人覺得很郁悶。

3.1.1鼎陽SDS3054的幅頻特性曲線

鼎陽科技不同系列示波器的幅頻特性曲線的光滑度都非常好，而且在不同通道，不同量程下的一致性也非常地好。如圖5所示是基于掃頻點描法得到的SDS3054的幅頻特性曲線。其橫坐標(biāo)是頻率的對數(shù)lg(f)，圖中標(biāo)識100表示該處對應(yīng)的是100MHz，但在繪制時是以lg(100）得來的; 縱坐標(biāo)是20lg(Vout/Vref），Vout表輸入不同頻率時的示波器測量結(jié)果，Vref表示在起始最低頻率(該例中為50KHz）時的示波器測量結(jié)果?？梢钥闯鲈?00MHz之前都很接近0dB，在300MHz時也僅衰減約-0.25dB，輸出電壓降低到輸入大約97.2%。在 -3dB 的轉(zhuǎn)折頻率點為600MHz，就是說SDS3054的標(biāo)稱帶寬實際上達到了600MHz！ 而且更難能可貴的是，四個通道的幅頻特性曲線的一致性非常地好！

圖5 鼎陽SDS3054的幅頻特性曲線

3.1.2鼎陽SDS1102E的幅頻特性曲線

如圖6所示為鼎陽科技新推出的電商專品示波器SDS1102E的幅頻特性曲線。可以看出，在100MHz范圍內(nèi)，其幅值的穩(wěn)定度非常好。在100MHz到200MHz由于刻度步進比較大，無法確認在-3dB時的具體帶寬是多少，但從圖中可以肯定是大于150MHz。

示波器廠商都會有自動化軟件來自動獲得幅頻特性曲線圖形。筆者將產(chǎn)生這個圖形的Excel數(shù)據(jù)公布如下表1。通過表格數(shù)據(jù)，我們可以確認，SDS1102E的實際帶寬可以達到120MHz以上。在120MHz時的幅值衰減還不到2dB。

圖6 鼎陽SDS1102E的幅頻特性曲線

表1 鼎陽SDS1102E的幅頻特性曲線的計量數(shù)據(jù)

3.2掃頻FFT法

掃頻FFT法就是逐漸改變信號源的信號頻率，利用示波器的FFT運算結(jié)果來表征示波器的帶寬。由于帶寬的影響，示波器測量到的正弦波信號的幅值降低，相應(yīng)FFT的基波最大值也會降低，查看降低到-3dB的頻率點就是帶寬。