示波器基础 - 示波器带宽教程

示波器有很多不同规格，确定了可捕获和测量信号的准确度。但是示波器的主要规格是其带宽。在电子工程在校学生实验中使用的示波器可能具有足够的带宽，可供教授将分配的大多数 （如果不是全部）实验使用。当您最终完成电子工程课程，进入电子行业工作时，很可能您需要从您公司的仪器池中选择一个示波器来对您的设计执行测试，或者可能被委派对各种要采购的示波器进行评估。本示波器带宽教程将为您提供一些有益的提示，告诉您如何选择具备数字和模拟应用的适当带宽的示波器。但是首先，让我们来定义示波器带宽。

什么叫示波器带宽？示波器带宽的定义

所有示波器都具有以较高频率展示的低通频率响应，如下图所示。大多数带宽规格为 1 GHz 以及更低的示波器通常具有高斯频率响应。示波器高斯频率响应近似于单极点低通滤波器，即您可能已在某些电路课程中学过而且可能绘制为波特图的一些内容。

示波器高斯频率响应

按 3 dB 衰减输入信号的最低频率被视为示波器的带宽 (fBW)。以 -3 dB 频率执行信号衰减会转换为约 -30% 幅度误差。换句话说，如果将 1 Vp-p、100 MHz 正弦波输入 100 MHz 带宽示波器中，则使用此示波器测量的峰峰值电压会在约 700 mVp-p (-3 dB = 20 Log [0.707/1.0]) 的范围内。因此，您无法对示波器带宽周围具有超高频率的信号执行准确测量。

与示波器的带宽规格密切相关的是其上升时间规格。具有高斯类型的频率响应的示波器的上升时间约为 0.35/fBW （基于 10% 至 90% 标准）。但是，您需要记住，示波器的上升时间不是示波器能够准确测量的最快边沿速度。而是当输入信号具有理论上无限快的上升时间 (0 ps) 时，示波器可能产生的最快边沿速度。尽管从实际角度看，这一理论规格无法测试 （由于脉冲发生器不具备无限快速边沿），但是您可以通过输入边沿速度比示波器的上升时间规格快 5 到 10 倍的脉冲，来测试示波器的上升时间。

模拟应用所需的带宽

多年前，大多数示波器供应商建议示波器的带宽至少应比最大输入信号频率高三倍。这一经验法则建议可能是您的教授想起来的。尽管此“3 倍”倍加系数不适用于基于时钟频率或边沿速度的数字应用，但是仍然适用于模拟应用，如调制 RF。要了解此 3:1 倍加系数从何而来，请看 1 GHz 带宽示波器的实际频率响应。

下图 显示 Keysight 1 GHz 带宽示波器上测量的频率响应测试（1 MHz 到 2 GHz）。正如您看到的，测量的输出 （示波器显示屏上的波形）以恰好 1 GHz 的频率按稍小于 3 dB (Vo/Vi > 0.7) 的幅度衰减。要对模拟信号执行准确测量，您需要在频率波段中仍相对平坦且衰减最少的部分使用示波器。在示波器的 1 GHz 带宽的大约三分之一处，此示波器展现的衰减非常小 (-0.2 dB)。

Keysight 1 GHz 带宽示波器的实际频率响应

数字应用所需的带宽

目前的绝大多数电子工程毕业生在进入电子行业工作时，都会关注数字设计应用领域。每秒数千兆位范围内的数字时钟频率和串行数据链路在今天非常普遍。

示波器带宽经验法则

作为经验法则，示波器的带宽应至少比测试系统中的最快数字时钟频率高五倍。如果示波器符合此标准，则最高可捕获信号衰减最小的第五谐波。在确定数字信号的整体形状方面，此信号分量非常重要。

但是，如果需要对高速边沿执行准确测量，这一简单公式不会涉及上升沿和下降沿中嵌入的实际最高频率分量。

步骤 1：确定最快实际边沿速度

用于确定所需示波器带宽的一种更准确的方法是确定数字信号中存在的最大频率，而不是最大时钟频率。最大频率将基于设计中最快的边沿速度。因此，首先需要做的就是确定最快信号的上升和下降时间。通常可从在设计中使用的设备的已发布规格中获得此信息。

步骤 2：计算 f knee

随后您可以使用简单的公式计算最大“实际”频率分量。Dr. Howard W. Johnson 就这个主题写了一本书 《High-speed Digital Design – A Handbook of Black Magic》。1 他将此频率分量称为“拐点”频率 (fknee)。所有快速边沿都具有无限连续的频率分量。但是，快速边沿的频谱中存在一个转折点 （或“拐点”），在这个转折点上，高于 f knee 的频率分量在确定信号形状时可以忽略不计。

对于具有上升时间特征的信号（基于 10% - 90% 阈值），f knee 等于 0.5 除以信号的上升时间所得的结果。对于目前的许多设备规格中极为普遍且具有上升时间 特征的信号（基于 20% - 80% 阈值），f knee 等于 0.4 除以信号的上升时间所得的结果。现在，请不要将这些上升时间与示波器指定的上升时间混淆。我们讨论的是实际信号边沿速度。

步骤 3：计算示波器带宽

第三步是根据在测量上升和下降时间时所需的准确度，确定测量此信号所需的示波器带宽。Table 2 显示了具有高斯频率响应的示波器的各种准确度的倍加系数。

示例

现在，我们来演练这一简单示例：

如果信号的近似上升／下降时间为 1 ns（基于 10% 到 90% 的标准），则信号中的最大实际频率分量 (fknee) 约为 500 MHz。

如果在对信号执行参数化上升时间和下降时间测量时最多可容许 20% 的定时错误，则可以对数字测量应用使用 500 MHz 带宽示波器。但是，如果需要的定时准确度在 3% 范围之内，则具有 1 GHz 带宽的示波器为更好的选择。

现在，让我们使用各种带宽示波器对具有本示例类似特征的数字时钟信号执行某些测量.

数字时钟测量比较

下图 显示使用 100 MHz 带宽示波器测量具有快速边沿速度的 100 MHz 数字时钟信号时产生的波形。正如您所看到的，此示波器主要对此时钟信号的 100 MHz 基础频率执行直通，因此将时钟信号表示为近似正弦波。100 MHz 示波器可能是适用于时钟频率在 10 MHz 到 20 MHz 范围内的许多基于 MCU 的 8 位设计的理想解决方案，但是，对于这种 100 MHz 数字时钟信号，100 MHz 带宽显然不足。

在 100 MHz 带宽示波器上捕获的 100 MHz 数字时钟信号

在使用 500 MHz 带宽示波器的情况下，下图 显示了此示波器最高可捕获第五谐波，即我们的第一个经验法则建议。但是，当我们测量上升时间时，会看到示波器测量结果约为 750 ps。在这种情况下，示波器没有对此信号的上升时间执行非常准确的测量。示波器实际上是测量与其自身的上升时间 (700 ps) 较为接近的值，而不是输入信号的上升时间 （较接近 500 ps）。如果定时测量非常重要，我们需要对此数字测量应用使用更高带宽的示波器。

在 100 MHz 带宽示波器上捕获的 500 MHz 数字时钟信号

当我们使用 1 GHz 带宽示波器捕获此 100 MHz 数字时钟时，结果是我们会立即拥有此信号较为准确的图片，如下图 所示。我们可以测量更快的上升和下降时间，观察较少的过冲，甚至可以观察较低带宽示波器屏蔽的微小反射。

在 1 GHz 带宽示波器上捕获的 100 MHz 数字时钟信号

本示波器带宽相关教程着重介绍展现高斯频率响应的示波器，即具有 1 GHz 以及更低带宽规格的示波器中的典型。许多较高带宽示波器展现的频率响应具备较为明显的展示特征。使用此类频率响应时，段内频率 （低于 -3 dB 的频率）衰减较少，而段外频率 （高于 -3 dB 的频率）抑制为较高程度。此类频率响应（一开始便可达到近似的理想“砖墙”过滤器）有时称为“最平”频率响应。用于计算这些较高带宽示波器上所需的示波器带宽 (> 1 GHz) 的公式与本教程指南中提供的公式不同。