測試儀器選擇：如何選擇合適的示波器帶寬

　　示波器帶寬的定義

　　所有示波器都表現(xiàn)出如圖1所示的在較高頻率處滾降的低通頻率響應(yīng)。大多數(shù)帶寬參數(shù)在1 GHz及以下的示波器通常表現(xiàn)為高斯響應(yīng)，即具備約從-3 dB頻率的三分之一處開始緩慢滾降的特性。而那些帶寬規(guī)格超過1 GHz的示波器通常則具備最大平坦頻率響應(yīng)，如圖2所示。這種頻響通常表現(xiàn)為帶內(nèi)響應(yīng)較平緩，而在約-3 dB頻率處滾降較陡。

　　圖1：低通頻率響應(yīng)

　　圖2：最大平坦頻率響應(yīng)

　　示波器的這兩種頻率響應(yīng)各有各的優(yōu)缺點。具備最大平坦頻響的示波器比具備高斯頻響的示波器對帶內(nèi)信號的衰減較小，也就是說前者對帶內(nèi)信號的測量更精確。但具備高斯頻響的示波器比具備最大平坦頻響的示波器對代外信號的衰減小，也就是說在同樣的帶寬規(guī)格下，具備高斯頻響的示波器通常具備更快的上升時間。然而，有時對帶外信號的衰減大有助于消除那些根據(jù)奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)（fMAX< fS）可能造成混迭的高頻成分。關(guān)于奈奎斯特采樣理論更深入的探討，請參看安捷倫應(yīng)用筆記1587（Agilent Application Note 1587） 。

　　不論您手頭的示波器具備高斯頻響、最大平坦頻響還是介于二者之間，我們都將輸入信號通過示波器后衰減3 dB時的最低頻率視為該示波器的帶寬。示波器的帶寬和頻響可以利用正弦波信號發(fā)生器掃頻測量得到。信號在示波器-3dB頻率處的衰減轉(zhuǎn)換后可表示為約-30%的幅度誤差。因此，我們不能奢望對那些主要的頻率成分接近示波器帶寬的信號進(jìn)行精確測量。

　　與示波器帶寬規(guī)格緊密相關(guān)的是其上升時間參數(shù)。具備高斯頻響的示波器，按照10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)衡量，上升時間約為0.35/fBW。具備最大平坦頻響的示波器上升時間規(guī)格一般在0.4/fBW范圍上，隨示波器頻率滾降特性的陡度不同而有所差異。但我們必須記住的是，示波器的上升時間并非示波器能精確測量的最快的邊緣速度，而是當(dāng)輸入信號具備理論上無限快的上升時間（0 ps）時，示波器能夠得到的最快邊沿速度。盡管實際上這種理論參數(shù)不可能測得到，因為脈沖發(fā)生器不可能輸出邊沿?zé)o限快的脈沖，但我們可以通過輸入一個邊沿速度為示波器上升時間規(guī)格的3到5倍的脈沖來測量示波器的上升時間。

　　數(shù)字應(yīng)用需要的示波器帶寬

　　經(jīng)驗告訴我們，示波器的帶寬至少應(yīng)比被測系統(tǒng)最快的數(shù)字時鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，那么該示波器就能以最小的信號衰減捕捉到被測信號的5次諧波。信號的5次諧波在確定數(shù)字信號的整體形狀方面非常重要。但如果需要對高速邊沿進(jìn)行精確測量，那么這個簡單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實際高頻成分。

　　公式：fBW ≥ 5 x fclk

　　確定示波器帶寬的一個更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號中存在的最高頻率，而不是最大時鐘速率。數(shù)字信號的最高頻率要看設(shè)計中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設(shè)計中最快的信號的上升和下降時間。這一信息通常可從設(shè)計中所用器件的公開說明書中獲取。

　　第一步：確定最快的邊沿速度

　　然后就可以利用一個簡單的公式計算信號的最大“實際”頻率成分。Howard W. Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數(shù)字設(shè)計》。在書中，他將這一頻率成分稱為“拐點 ”頻率（fknee）。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”），高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀就無關(guān)緊要了。

　　第二步：計算fknee

　　fknee = 0.5/RT （10% - 90%）

　　fknee = 0.4/RT （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(guī)范中通常采用這種定義方式），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(guī)格混淆了，我們這里所說的是實際的信號邊沿速度。