示波器带宽是什么_示波器带宽如何选择

    示波器简介

    示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点（这是传统的模拟示波器的工作原理）。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

    示波器分类

　　1、按照信号的不同分类

　　模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上。屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来。

　　数字示波器则是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器的工作方式是通过模拟转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。数字示波器捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止，随后，数字示波器重构波形。数字示波器可以分为数字存储示波器（DSO），数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。

　　模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和超前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器的确从前台退到后台。

　　2、按照结构和性能不同分类

　　①普通示波器。电路结构简单，频带较窄，扫描线性差，仅用于观察波形。

　　②多用示波器。频带较宽，扫描线性好，能对直流、低频、高频、超高频信号和脉冲信号进行定量测试。借助幅度校准器和时间校准器，测量的准确度可达±5%。

　　③多线示波器。采用多束示波管，能在荧光屏上同时显示两个以上同频信号的波形，没有时差，时序关系准确。

　　④多踪示波器。具有电子开关和门控电路的结构，可在单束示波管的荧光屏上同时显示两个以上同频信号的波形。但存在时差，时序关系不准确。

　　⑤取样示波器。采用取样技术将高频信号转换成模拟低频信号进行显示，有效频带可达GHz级。

　　⑥记忆示波器。采用存储示波管或数字存储技术，将单次电信号瞬变过程、非周期现象和超低频信号长时间保留在示波管的荧光屏上或存储在电路中，以供重复测试。

　　⑦数字示波器。内部带有微处理器，外部装有数字显示器，有的产品在示波管荧光屏上既可显示波形，又可显示字符。被测信号经模一数变换器（A/D变换器）送入数据存储器，通过键盘操作，可对捕获的波形参数的数据，进行加、减、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的运算，并显示出答案数字。

    示波器的作用

　　用来测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器，由电子管放大器、扫描振荡器、阴极射线管等组成。除观测电流的波形外，还可以测定频率、电压强度等。凡可以变为电效应的周期性物理过程都可以用示波器进行观测

    示波器带宽是什么

　　示波器带宽是指输入一个幅度相同，频率变化的信号，当示波器读数比真值衰减3dB时，此时的频率即为示波器的带宽。也就是说，输入信号在示波器带宽处测试值为真值-3dB，带宽不是示波器能显示的最高频率。一般情况下，示波器带宽应为所测信号最高频率的3~5倍。

　　与示波器带宽规格紧密相关的是其上升时间参数。具备高斯频响的示波器，按照10%到90%的标准衡量，上升时间约为0.35/fBW。具备最大平坦频响的示波器上升时间规格一般在0.4/fBW范围上，随示波器频率滚降特性的陡度不同而有所差异。如果在进行上升时间和下降时间参数测量时允许20%的定时误差，那么带宽为1GHz的示波器就能满足该数字测量应用的要求。但如果要求定时精度在3％范围内，那么采用带宽为2GHz的示波器更好。

    示波器带宽种类

　　MS310、MS410、MS510、MS610、MS710100MHz

　　MS320、MS420、MS520、MS620、MS720200MHz

    示波器带宽如何选择

　　经验告诉我们，示波器的带宽至少应比被测系统最快的数字时钟速率高5倍。如果我们选择的示波器满足这一标准，那么该示波器就能以最小的信号衰减捕捉到被测信号的5次谐波。信号的5次谐波在确定数字信号的整体形状方面非常重要。但如果需要对高速边沿进行精确测量，那么这个简单的公式并未考虑到快速上升和下降沿中包含的实际高频成分。

　　公式：fBW≥5xfclk

　　确定示波器带宽的一个更准确的方法是根据数字信号中存在的最高频率，而不是最大时钟速率。数字信号的最高频率要看设计中最快的边沿速度是多少。因此，我们首先要确定设计中最快的信号的上升和下降时间。这一信息通常可从设计中所用器件的公开说明书中获取。

    第一步：确定最快的边沿速度

　　然后就可以利用一个简单的公式计算信号的最大“实际”频率成分。HowardW.Johnson博士就此题目写过一本书《高速数字设计》。在书中，他将这一频率成分称为“拐点”频率（fknee）。所有快速边沿的频谱中都包含无限多的频率成分，但其中有一个拐点（或称“knee”），高于该频率的频率成分对于确定信号的形状就无关紧要了。

    第二步：计算fknee

　　fknee=0.5/RT（10%-90%）

　　fknee=0.4/RT（20%-80%）

　　对于上升时间特性按照10%到90%阀值定义的信号而言，拐点频率fknee等于0.5除以信号的上升时间。对上升时间特性按照20%到80%阀值定义的信号而言（如今的器件规范中通常采用这种定义方式），fknee等于0.4除以信号的上升时间。但注意不要把此处的信号上升时间与示波器的上升时间规格混淆了，我们这里所说的是实际的信号边沿速度。

　　第三步就是根据测量上升时间和下降时间所需的精确程度来确定测量该信号所需的示波器带宽。表1给出了对于具备高斯频响或最大平坦频响的示波器而言，在各种精度要求下需要的示波器带宽与fknee的关系。但要记住的是，大多数带宽规格在1GHz及以下的示波器通常都是高斯频响型的，而带宽超过1GHz的通常则为最大平坦频响型的。

　　表1：根据需要的精度和示波器频率响应的类型计算示波器所需带宽的系数

    第三步：计算示波器带宽

　　下面我们通过一个简单的例子进行讲解：

　　对于在测量500ps上升时间（10-90%）时具有正确的高斯频率响应的示波器，确定其所需的最小带宽

　　如果信号的上升/下降时间约为500ps（按10%到90%的标准定义），那么该信号的最大实际频率成分（（fknee）就约为1GHz。

　　fknee=（0.5/500ps）=1GHz

　　如果在进行上升时间和下降时间参数测量时允许20%的定时误差，那么带宽为1GHz的示波器就能满足该数字测量应用的要求。但如果要求定时精度在3%范围内，那么采用带宽为2GHz的示波器更好。

　　20%定时精度：

　　示波器带宽=1.0x1GHz=1.0GHz

　　3%定时精度：

　　示波器带宽=1.9x1GHz=1.9GHz

　　带宽是示波器的最重要的一个指标，理论上来说，只要带宽覆盖被测信号能量的99.9%，测量的误差可以小于3%，即是合适的带宽。因此，业界也存在着多个带宽选择法则，例如：5倍法则、三倍正弦波频率、1.8倍法则、1/3法则。针对不同的测量信号和测量要求适用不同的法则。

　　根据上升时间和带宽的关系，似乎可以得出结论，带宽越高，测量的误差越小。

　　但实际上，具体的应用中并非如此。因为，示波器毕竟不是一个理想的仪器，测量系统本身有噪声。这些噪声包括放大器的噪声，ADC的噪声，有源探头的噪声，探头地线感应的空间辐射噪声及地环路耦合的传导噪声从信噪比的角度理解，只有当被测信号的能量远大于示波器测量系统本身带来的噪声能量的时候即信噪比足够大的时候，选择的带宽才是合适的。

　　电源纹波测量的带宽选择取决于电源开关管的上升时间，测量纹波的带宽等于测量开关管的带宽。一般功率小的电源开关频率可以达到1MHz甚至更大，对应的开关管的上升时间越小。功率大的电源开关管开关频率小，只有100KHz甚至更小，上升时间大。但是多数开关管MOSFET上升时间达100ns。即使开关管上升时间只有30ns，1/3的上升时间也有10ns，而100MHz的示波器的上升时间只有3.5ns。因此，用100MHz带宽示波器测量开关电源的开关管是足够的。事实上，很少有开关管上升时间只有30ns的，限制带宽到20MHz就足够了。这也是很多人所说的“在测量电源纹波时需要将示波器带宽限制为20MHz”的道理。