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2021年12月08日 | 你了解示波器帶寬嗎?Agitek讓你秒懂它~

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當(dāng)電子工程師選擇示波器進(jìn)行關(guān)鍵的測(cè)量時(shí),示波器的主要參數(shù)指標(biāo)往往是選擇哪一款示波器的重要標(biāo)準(zhǔn),其中示波器最主要的指標(biāo)參數(shù)是:

(1)帶寬;

(2)采樣率;

(3)記錄長(zhǎng)度。

不知道大家對(duì)帶寬了解多少呢?帶寬這個(gè)指標(biāo)能告訴我們哪些信息呢?帶寬和上升時(shí)間的關(guān)系是什么?今天安泰測(cè)試就給大家分享一下:

帶寬- 這個(gè)指標(biāo)能告訴我們什么?

模擬帶寬是一個(gè)測(cè)量指標(biāo),簡(jiǎn)單的定義是:示波器測(cè)得正弦波的幅度不低于真實(shí)正弦波信號(hào)3dB的幅度時(shí)的最高頻率(見(jiàn)的IEEE - 1057)。如圖1,是一個(gè)理想的示波器帶寬和幅度測(cè)量誤差的曲線圖,從圖1可以看出,當(dāng)被測(cè)正弦波的頻率等于示波器的帶寬(示波器的放大器的響應(yīng)是一階高斯型)時(shí),幅度測(cè)量誤差大約30%。如果想測(cè)量正弦波的幅度誤差只有3%,被測(cè)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(shù)信號(hào)是比正弦波復(fù)雜的多,使用示波器測(cè)量信號(hào)的通用法則是:示波器的帶寬是被測(cè)信號(hào)的頻率的5倍。

帶寬- 不能告訴我們什么

最典型的用戶選擇示波器顯示和測(cè)量復(fù)雜的電和光信號(hào),觀測(cè)信號(hào)在示波器上幅度對(duì)時(shí)間的顯示。模擬帶寬,一個(gè)示波器重要的指標(biāo),它應(yīng)該定義在頻域,而不是在時(shí)域。根據(jù)采樣理論,復(fù)雜的信號(hào)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(jiàn)圖2.利用頻譜分析,可以看到被采樣信號(hào)的頻率成分,然而,如果要充分描述這些頻率成分的特點(diǎn),就必須知道組成復(fù)雜信號(hào)的每個(gè)成分的準(zhǔn)確幅度和相位信息。在這種情況下,帶寬除了能夠告訴將怎樣捕獲這些細(xì)節(jié),其它什么也不能告訴我們。從帶寬的測(cè)量角度,我們只知道,輸入一個(gè)頻率和帶寬相同的正弦波,示波器的幅度測(cè)量誤差為30%。

帶寬和上升時(shí)間的關(guān)系是什么

除了對(duì)通用的信號(hào)分析,大多數(shù)的工程師也有對(duì)時(shí)間測(cè)量感興趣,如方波的上升時(shí)間和下降時(shí)間。因此,從指定的帶寬可以評(píng)估示波器系統(tǒng)的上升時(shí)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(一般普通信號(hào)的tr=7%*T,其中:T=1/Fclock)。實(shí)際信號(hào)的帶寬:信號(hào)諧波幅值將為0次波(基波)的70%(即下降3dB)時(shí)的諧波頻率。


這里的0.35是示波器帶寬和上升時(shí)間(一階高斯模型時(shí)的10%-90%上升時(shí)間)之間的比例系數(shù),示波器的放大器大多數(shù)使用的是一階高斯型RC低通濾波器的響應(yīng)模型。使用這個(gè)公式很容易計(jì)算出 tr上升時(shí)間,但是,實(shí)際往往不是這樣的。圖3的表格給出了不同信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)所需要的測(cè)量系統(tǒng)帶寬的建議,建議的系統(tǒng)帶寬能夠保證上升時(shí)間或其它測(cè)量得到合理的測(cè)試精度。注意,儀器系統(tǒng)很多因數(shù)都會(huì)影響在示波器測(cè)試上升時(shí)間結(jié)果的精度,這些因數(shù)包括信號(hào)源,探頭,以及示波器。圖3表格是假設(shè)信號(hào)和示波器的測(cè)試系統(tǒng)都是一階響應(yīng)特性,但是在實(shí)際上,特別是今天的高速串行信號(hào),這個(gè)假設(shè)與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。對(duì)于最大平坦包絡(luò)延遲響應(yīng),示波器的帶寬和上升時(shí)間的關(guān)系系數(shù)接近0.45。在圖3中,可以看出上升時(shí)間和帶寬比例系數(shù)的變化,20GHz 幅頻響應(yīng)模型也發(fā)生變化,從簡(jiǎn)單的一階響應(yīng)到32 階響應(yīng)。16 階和32階響應(yīng)類似現(xiàn)在的高性能示波器的響應(yīng)特性,這類高性能示波器的tr/BW 比例系數(shù)接近0.4或0.45。對(duì)于這樣的比例系數(shù),示波器的幅頻響應(yīng)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,那么它的幅度和相位都會(huì)得到較好的補(bǔ)償,以便以最好的保真度捕獲和分析復(fù)雜信號(hào)。什么是真正意義上最好的示波器??jī)膳_(tái)示波器具有相同帶寬性能可以有不同的上升時(shí)間,以及不同的幅頻響應(yīng)和相位響應(yīng)!因此,只有知道示波器的帶寬,將無(wú)法可靠地知道其測(cè)量能力或其能夠準(zhǔn)確捕捉復(fù)雜信號(hào)(像高速串行數(shù)據(jù)流)的能力。同時(shí),示波器的真實(shí)的上升時(shí)間和從示波器帶寬計(jì)算出的上升時(shí)間結(jié)果是否一致值得商榷。要得到示波器真實(shí)上升時(shí)間和下降時(shí)間,唯一可靠的途徑就是利用一個(gè)上升時(shí)間比示波器快的多的理想階躍信號(hào)去測(cè)量。

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