帶寬是大多數(shù)工程師在選擇一款示波器時(shí)首先考慮的參數(shù)。本文將為您提供一些有用的竅門，教您如何為您的數(shù)字和模擬應(yīng)用選擇合適的示波器帶寬。但首先，我們先看看示波器帶寬的定義。
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(diǎn)。具備最大平坦頻響的示波器比具備高斯頻響的示波器對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的衰減較小，也就是說前者對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的測(cè)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(duì)代外信號(hào)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(shí)間。然而，有時(shí)對(duì)帶外信號(hào)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(qǐng)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(hào)通過示波器后衰減3 dB時(shí)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(hào)發(fā)生器掃頻測(cè)量得到。信號(hào)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(duì)那些主要的頻率成分接近示波器帶寬的信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量。
與示波器帶寬規(guī)格緊密相關(guān)的是其上升時(shí)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(shí)間約為0.35/fBW。具備最大平坦頻響的示波器上升時(shí)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(shí)間并非示波器能精確測(cè)量的最快的邊緣速度，而是當(dāng)輸入信號(hào)具備理論上無限快的上升時(shí)間（0 ps）時(shí)，示波器能夠得到的最快邊沿速度。盡管實(shí)際上這種理論參數(shù)不可能測(cè)得到，因?yàn)槊}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(gè)邊沿速度為示波器上升時(shí)間規(guī)格的3到5倍的脈沖來測(cè)量示波器的上升時(shí)間。
數(shù)字應(yīng)用需要的示波器帶寬
經(jīng)驗(yàn)告訴我們，示波器的帶寬至少應(yīng)比被測(cè)系統(tǒng)最快的數(shù)字時(shí)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(hào)衰減捕捉到被測(cè)信號(hào)的5次諧波。信號(hào)的5次諧波在確定數(shù)字信號(hào)的整體形狀方面非常重要。但如果需要對(duì)高速邊沿進(jìn)行精確測(cè)量，那么這個(gè)簡(jiǎn)單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實(shí)際高頻成分。
公式：fBW ≥ 5 x fclk
確定示波器帶寬的一個(gè)更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號(hào)中存在的最高頻率，而不是最大時(shí)鐘速率。數(shù)字信號(hào)的最高頻率要看設(shè)計(jì)中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設(shè)計(jì)中最快的信號(hào)的上升和下降時(shí)間。這一信息通常可從設(shè)計(jì)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(gè)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算信號(hào)的最大“實(shí)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(jì)》。在書中，他將這一頻率成分稱為“拐點(diǎn) ”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(gè)拐點(diǎn)（或稱“knee”），高于該頻率的頻率成分對(duì)于確定信號(hào)的形狀就無關(guān)緊要了。
第二步：計(jì)算fknee
fknee = 0.5/RT （10% - 90%）
fknee = 0.4/RT （20% - 80%）
對(duì)于上升時(shí)間特性按照10% 到90%閥值定義的信號(hào)而言，拐點(diǎn)頻率fknee等于0.5除以信號(hào)的上升時(shí)間。對(duì)上升時(shí)間特性按照20% 到80%閥值定義的信號(hào)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(hào)的上升時(shí)間。但注意不要把此處的信號(hào)上升時(shí)間與示波器的上升時(shí)間規(guī)格混淆了，我們這里所說的是實(shí)際的信號(hào)邊沿速度。
第三步就是根據(jù)測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間所需的精確程度來確定測(cè)量該信號(hào)所需的示波器帶寬。表1給出了對(duì)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(guān)系。但要記住的是，大多數(shù)帶寬規(guī)格在1 GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過1 GHz的通常則為最大平坦頻響型的。
表1：根據(jù)需要的精度和示波器頻率響應(yīng)的類型計(jì)算示波器所需帶寬的系數(shù)
第三步：計(jì)算示波器帶寬
下面我們通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行講解：
對(duì)于在測(cè)量500ps上升時(shí)間（10-90%）時(shí)具有正確的高斯頻率響應(yīng)的示波器，確定其所需的最小帶寬
如果信號(hào)的上升/下降時(shí)間約為500ps（按10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)定義），那么該信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分（（fknee）就約為1 GHz。
fknee = （0.5/500ps） = 1 GHz
如果在進(jìn)行上升時(shí)間和下降時(shí)間參數(shù)測(cè)量時(shí)允許20%的定時(shí)誤差，那么帶寬為1 GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測(cè)量應(yīng)用的要求。但如果要求定時(shí)精度在3%范圍內(nèi)，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。
20%定時(shí)精度：
示波器帶寬＝1.0x1GHz＝1.0GHz
3%定時(shí)精度：
示波器帶寬＝1.9x1GHz＝1.9GHz
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