示波器帶寬的原理及應(yīng)用技巧

• 示波器帶寬的原理
• 示波器帶寬在測(cè)試中的應(yīng)用
• 工程師在選擇示波器的時(shí)候，如何確定帶寬？

帶寬被稱為示波器的第一指標(biāo)，也是示波器最值錢(qián)的指標(biāo)。示波器市場(chǎng)的劃分常以帶寬作為首要依據(jù)，工程師在選擇示波器的時(shí)候，首先要確定的也是帶寬。在銷(xiāo)售過(guò)程中，關(guān)于帶寬的故事也特別多。

通常談到的帶寬沒(méi)有特別說(shuō)明是指示波器模擬前端放大器的帶寬，也就是常說(shuō)的-3dB截止頻率點(diǎn)。 此外，還有數(shù)字帶寬，觸發(fā)帶寬的概念。

我們常說(shuō)數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲（Capture），觀察（View），測(cè)量(Measurement)，分析（Analyse）和歸檔（Document）。 這五大功能組成的原理框圖如圖1所示。


圖1，數(shù)字示波器的原理框圖

捕獲部分主要是由三顆芯片和一個(gè)電路組成，即放大器芯片，A/D芯片，存儲(chǔ)器芯片和觸發(fā)器電路，原理框圖如下圖2所示。被測(cè)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)探頭和放大器及歸一化后轉(zhuǎn)換成ADC可以接收的電壓范圍，采樣和保持電路按固定采樣率將信號(hào)分割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的采樣電平，ADC將這些電平轉(zhuǎn)化成數(shù)字的采樣點(diǎn)，這些數(shù)字采樣點(diǎn)保存在采集存儲(chǔ)器里送顯示和測(cè)量分析處理。


圖2，示波器捕獲電路原理框圖

示波器放大器的典型電路如圖3所示。這個(gè)電路在模擬電路教科書(shū)中處處可見(jiàn)。這種放大器可以等效為RC低通濾波器如圖4所示。 由此等效電路推導(dǎo)出輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系，得出理想的幅頻特性的波特圖如圖5所示。



圖3，放大器的典型電路



圖4，放大器的等效電路模型



圖5，放大器的理想波特圖



至此，我們知道帶寬f2即輸出電壓降低到輸入電壓70.7%時(shí)的頻率點(diǎn)。 根據(jù)放大器的等效模型，我們可進(jìn)一步推導(dǎo)示波器的上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系式，即我們常提到的0.35的關(guān)系：上升時(shí)間=0.35/帶寬，推導(dǎo)過(guò)程如下圖6所示。 需要說(shuō)明的是，0.35是基于高斯響應(yīng)的理論值，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中這個(gè)數(shù)值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會(huì)標(biāo)明“上升時(shí)間”指標(biāo)。 示波器測(cè)量出來(lái)的上升時(shí)間與真實(shí)的上升時(shí)間之間存在下面的關(guān)系式。 在對(duì)快沿信號(hào)測(cè)試中，需要通過(guò)該關(guān)系式來(lái)修正實(shí)際被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間。

Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2



圖6，示波器上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系

示波器前端放大器幅頻特性的波特圖是新示波器發(fā)布的“出生證”。 示波器每年需要進(jìn)行校準(zhǔn)，波特圖是第一需要校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。示波器波特圖的測(cè)量方法如圖7所示。 信號(hào)源從10MHz頻率開(kāi)始逐漸遞增發(fā)送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器將輸入的信號(hào)能量等分為二后通過(guò)等長(zhǎng)的線纜分別送到示波器和功率計(jì)。 功分器和線纜是無(wú)源器件，可以嚴(yán)格定標(biāo)，信號(hào)源本身的幅頻特性不可以作為定標(biāo)儀器，需要通過(guò)功率計(jì)實(shí)測(cè)的能量來(lái)作為示波器的輸入幅值的定標(biāo)值。 有時(shí)候客戶會(huì)對(duì)示波器的波特圖很感興趣，直接用信號(hào)源連接到示波器來(lái)評(píng)估示波器的波特圖，在帶寬超過(guò)1GHz時(shí)這種方法是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。需要用功率?jì)來(lái)作為定標(biāo)工具！

此外，在計(jì)量波特圖時(shí)需要對(duì)示波器每個(gè)檔位都進(jìn)行計(jì)量,最終產(chǎn)生的波特圖是所有檔位的結(jié)果疊加在一起的。波特圖的計(jì)量是需要半天時(shí)間完成的，并不是想象中那么輕松的工作。如圖8所示是力科SDA9000的波特圖,我特地將Excel中大量數(shù)據(jù)顯示給大家以使大家對(duì)校準(zhǔn)的嚴(yán)謹(jǐn)性有深刻認(rèn)識(shí)。 其垂直軸是-1dB/div, 疊加了10mv/div、20mv/div、50mv/div、200mv/div、500mv/div、1v/div等檔位的測(cè)試結(jié)果。 很多時(shí)候，我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手會(huì)把他們的波特圖畫(huà)成-10dB/div、只有一個(gè)檔位的測(cè)試結(jié)果拿給客戶，并和力科提供的這種-1dB/div、各種檔位疊在一起顯示的結(jié)果放在一起進(jìn)行對(duì)比，然后他們告訴客戶，他們的波特圖更平坦，更干凈，甚至將力科波特圖上面密密麻麻的點(diǎn)說(shuō)成是“噪音”大。這是有點(diǎn)貽笑天下的。 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手敢于一再采用這種做法，這是假設(shè)中國(guó)的工程師都沒(méi)有辨別力，獨(dú)立思考能力，是對(duì)工程師嚴(yán)重不尊重的公然欺騙行為。希望能引起大家注意。



圖7，示波器波特圖的計(jì)量方法

關(guān)于帶寬的更深入討論，我們需要談到示波器前端放大器幅頻特性的平坦度和滾降特性。力科的一
篇技術(shù)白皮書(shū)中對(duì)此有非常詳細(xì)的解釋。

Eye Patterns in Scopes(這份白皮書(shū)的第一作者Peter是DSP提升帶寬，Eye Dcotor和DBI等原創(chuàng)技術(shù)的發(fā)明者)

現(xiàn)在業(yè)界有三種幅頻特性曲線，分別代表了三個(gè)品牌:Gaussian( 泰克）, 4th oder Bessel (力科)和Maximally Flat（安捷倫）。