Picoscope示波器學(xué)習(xí)筆記一

帶寬是大多工程師選擇示波器時(shí)的首要考慮參數(shù)。

帶寬定義為信號(hào)衰減3dB時(shí)的信號(hào)頻率。

圖1示波器幅頻特性

大多數(shù)帶寬在1GHz及以下的示波器通常會(huì)出現(xiàn)高斯響應(yīng)，并在-3dB頻率處表現(xiàn)出緩慢下降特征。帶寬大于1GHz的示波器通常擁有最大平坦頻率響應(yīng)，通常在-3dB頻率附近顯示出具有更陡峭的下降特征，更為平坦的帶內(nèi)響應(yīng)。

如何選擇示波器的帶寬

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，示波器的帶寬至少是被測(cè)試系統(tǒng)的最快數(shù)字時(shí)鐘頻率的5倍。如果所選的示波器達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，它就能以最小的信號(hào)衰減捕捉到被測(cè)信號(hào)的5次諧波。但是如果要對(duì)高速邊沿信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量，這個(gè)簡(jiǎn)單的公式并未考慮快速上升和下降沿中的實(shí)際最高頻率成分。

經(jīng)驗(yàn)法則:fBW≥5xfclk

（1）以上升沿情況選擇帶寬

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)的最高頻率要看信號(hào)中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定最快的信號(hào)的上升和下降時(shí)間。

第一步：確定最快的邊沿速度

所有快速邊沿的頻譜中都包含無(wú)限多的頻率成分，但其中有一個(gè)拐點(diǎn)(或稱“knee”)，這一頻率為拐點(diǎn)頻率fknee，高于該頻率的頻率成分對(duì)于確定信號(hào)的形狀就無(wú)關(guān)緊要了。

第二步：計(jì)算fknee

fknee=0.5/信號(hào)上升時(shí)間(10%-90%)

或fknee=0.4/信號(hào)上升時(shí)間(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)于上升時(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)，拐點(diǎn)頻率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(shuō)的是實(shí)際的信號(hào)邊沿速度。

第三步確定測(cè)量該信號(hào)所需的示波器帶寬。

表一給出了對(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。

表一

下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的示例說(shuō)明：通過(guò)近似高斯頻率響應(yīng)測(cè)量500ps上升時(shí)間(10-90%),確定示波器的最小必需帶寬。

如果信號(hào)具有近似500ps的上升/下降時(shí)間(基于10%~90%標(biāo)準(zhǔn))，那么信號(hào)中的最大實(shí)際頻率分量(fknee)將大約等于1GHz,即

fknee=0.5/500ps=1GHz

根據(jù)表一，如果在對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)際的上升時(shí)間和下降時(shí)間測(cè)量時(shí)，您能夠容忍最多20%的計(jì)時(shí)誤差，那么可以使用1GHz帶寬示波器用于數(shù)字測(cè)量應(yīng)用。但是如果需要3%左右的計(jì)時(shí)精度，則最好使用2GHz帶寬的示波器，即

20%計(jì)時(shí)精度:示波器帶寬=1.0x1GHz=1.0GHz

3%計(jì)時(shí)精度:示波器帶寬=1.9x1GHz=1.9GHz

（2）以諧波情況選擇示波器帶寬

諧波是指除絕對(duì)的正弦波之外的周期波所含的其它一切頻率分量。諧波頻是基波頻（正弦波）的整數(shù)倍。

要對(duì)波形進(jìn)行精確的測(cè)量，對(duì)于非正弦波的波形，必須考慮其諧波。假如組成波形的主要諧波分量超出儀表的帶寬，那么我們就不能精確地測(cè)得波形的參數(shù)。以下以方波為例，說(shuō)明如何選擇示波器的帶寬：

方波是由基波與無(wú)數(shù)奇次諧波疊加所構(gòu)成，包含的諧波越多，波形越近似方波。

方波的質(zhì)量根據(jù)包含的諧波次數(shù)，其近似程度有所不同，如圖二所示。

圖2方波=基波+3次諧波+5次諧波+7次諧波+……+（2n+1）次諧波

圖3不同帶寬的示波器測(cè)同一方波

在實(shí)際測(cè)量中，在明確要測(cè)量的信號(hào)大致波形時(shí)，選擇示波器的帶寬可以參考以下表。比如需要測(cè)量的是方波信號(hào)，如果信號(hào)的頻率為f，那么應(yīng)該選擇的示波器帶寬應(yīng)該≥9f，這樣采集的信號(hào)才比較準(zhǔn)確。