Picoscope示波器學習筆記一

示波器參數一、帶寬

帶寬是大多工程師選擇示波器時的首要考慮參數。

帶寬定義為信號衰減3dB時的信號頻率。

圖1示波器幅頻特性

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

如何選擇示波器的帶寬

根據經驗，示波器的帶寬至少是被測試系統的最快數字時鐘頻率的5倍。如果所選的示波器達到這一標準，它就能以最小的信號衰減捕捉到被測信號的5次諧波。但是如果要對高速邊沿信號進行精確測量，這個簡單的公式并未考慮快速上升和下降沿中的實際最高頻率成分。

經驗法則:fBW≥5xfclk

（1）以上升沿情況選擇帶寬

確定示波器帶寬的一個更準確的方法是根據數字信號中存在的最高頻率，而不是最大時鐘速率。數字信號的最高頻率要看信號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的上升和下降時間。

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限多的頻率成分，但其中有一個拐點(或稱“knee”)，這一頻率為拐點頻率fknee，高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀就無關緊要了。

第二步：計算fknee

fknee=0.5/信號上升時間(10%-90%)

或fknee=0.4/信號上升時間(20%-80%)

對于上升時間特性按照10%到90%閥值定義的信號而言，拐點頻率fknee等于0.5除以信號的上升時間。對于上升時間特性按照20%到80%閥值定義的信號而言(如今的器件規范中通常采用這種定義方式)，拐點頻率fknee等于0.4除以信號的上升時間。但注意不要把此處的信號上升時間與示波器的上升時間規格混淆了，我們這里所說的是實際的信號邊沿速度。

第三步確定測量該信號所需的示波器帶寬。

表一給出了對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的關系。

需要的精度

高斯頻響

最大平坦頻響

20%

fBW=1.0×fknee

fBW=1.0×fknee

10%

fBW=1.3×fknee

fBW=1.2×fknee

3%

fBW=1.9×fknee

fBW=1.9×fknee

表一

下面以一個簡單的示例說明：通過近似高斯頻率響應測量500ps上升時間(10-90%),確定示波器的最小必需帶寬。

如果信號具有近似500ps的上升/下降時間(基于10%~90%標準)，那么信號中的最大實際頻率分量(fknee)將大約等于1GHz,即

fknee=0.5/500ps=1GHz

根據表一，如果在對信號進行實際的上升時間和下降時間測量時，您能夠容忍最多20%的計時誤差，那么可以使用1GHz帶寬示波器用于數字測量應用。但是如果需要3%左右的計時精度，則最好使用2GHz帶寬的示波器，即

20%計時精度:示波器帶寬=1.0x1GHz=1.0GHz

3%計時精度: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）的整數倍。

要對波形進行精確的測量，對于非正弦波的波形，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得波形的參數。以下以方波為例，說明如何選擇示波器的帶寬：

方波是由基波與無數奇次諧波疊加所構成，包含的諧波越多，波形越近似方波。

方波的質量根據包含的諧波次數，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同一方波

在實際測量中，在明確要測量的信號大致波形時，選擇示波器的帶寬可以參考以下表。比如需要測量的是方波信號，如果信號的頻率為f，那么應該選擇的示波器帶寬應該≥9f，這樣采集的信號才比較準確。

關鍵詞： Picoscope示波器學習筆