關(guān)于示波器的帶寬

帶寬被稱為示波器的*指標(biāo)，也是示波器zui值錢的指標(biāo)。示波器市場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。在銷售過程中，關(guān)于帶寬的故事也特別多。

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

我們常說數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲（Capture），觀察（View），測量（Measurment），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，存儲器芯片和觸發(fā)器電路，原理框圖如下圖2所示。被測信號首先經(jīng)過探頭和放大器及歸一化后成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)保存在采集存儲器里送顯示和測量分析處理。

 

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)電路在模擬電路的教科書上處處可見。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

 

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)過程如下圖6所示。需要說明的是，0.35是基于高斯響應(yīng)的理論值，實(shí)際測量系統(tǒng)中這個(gè)數(shù)值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會標(biāo)明“上升時(shí)間”指標(biāo)。示波器測量出來的上升時(shí)間與真實(shí)的上升時(shí)間之間存在下面的關(guān)系式。在對快沿信號測試中，需要通過該關(guān)系式來修正實(shí)際被測信號的上升時(shí)間。

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

 

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*需要校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。示波器波特圖的測量方法如圖7所示。信號源從10MHz頻率開始逐漸遞增發(fā)送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器將輸入的信號能量等分為二后通過等長的線纜分別送到示波器和功率計(jì)。功分器和線纜是無源器件，可以嚴(yán)格定標(biāo)，信號源本身的幅頻特性不可以作為定標(biāo)儀器，需要通過功率計(jì)實(shí)測的能量來作為示波器的輸入幅值的定標(biāo)值。有時(shí)候客戶會對示波器的波特圖很感興趣，直接用信號源連接到示波器來評估示波器的波特圖，在帶寬超過1GHz時(shí)這種方法是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｐ枰霉β视?jì)來作為定標(biāo)工具！2006年二月份的EDN雜志中有文章介紹。http://www.edn.com/article/CA6305348.html#Calibrating

此外，在計(jì)量波特圖時(shí)需要對示波器每個(gè)檔位都進(jìn)行計(jì)量，zui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校準(zhǔn)的嚴(yán)謹(jǐn)性有深刻認(rèn)識。其垂直軸是-1dB/div，疊加了10mv/div、20mv/div、50mv/div、200mv/div、500mv/div、1v/div等檔位的測試結(jié)果。很多時(shí)候，我們的競爭對手會把他們的波特圖畫成-10dB/div、只有一個(gè)檔位的測試結(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)說成是“噪音”大。這是有點(diǎn)貽笑天下的。競爭對手敢于一再采用這種做法，這是假設(shè)中國的工程師都沒有辨別力，獨(dú)立思考能力，是對工程師嚴(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