示波器帶寬的原理及應(yīng)用技巧

關(guān)于示波器的帶寬

帶寬被稱為示波器的第一指標(biāo)，也是示波器最值錢的指標(biāo)。示波器市場(chǎng)的劃分常以帶寬作為首要依據(jù)，工程師在選擇示波器的時(shí)候，首先要確定的也是帶寬。在銷售過程中，關(guān)于帶寬的故事也特別多。

通常談到的帶寬沒有特別說明是指示波器模擬前端放大器的帶寬，也就是常說的-3dB截止頻率點(diǎn)。此外，還有數(shù)字帶寬，觸發(fā)帶寬的概念。

我們常說數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲(Capture)，觀察(View)，測(cè)量(Measurment)，分析(Analyse)和歸檔(Document)。這五大功能組成的原理框圖如圖1所示。

圖1，數(shù)字示波器的原理框圖

捕獲部分主要是由三顆芯片和一個(gè)電路組成，即放大器芯片，A/D芯片，存儲(chǔ)器芯片和觸發(fā)器電路，原理框圖如下圖2所示。被測(cè)信號(hào)首先經(jīng)過探頭和放大器及歸一化后成ADC可以接收的電壓范圍，采樣和保持電路按固定采樣率將信號(hào)分割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的采樣電平，ADC將這些電平轉(zhuǎn)化成數(shù)字的采樣點(diǎn)，這些數(shù)字采樣點(diǎn)保存在采集存儲(chǔ)器里送顯示和測(cè)量分析處理。

圖2，示波器捕獲電路原理框圖

示波器放大器的典型電路如圖3所示。這個(gè)電路在模擬電路的教科書上處處可見。這種放大器可以等效為RC低通濾波器如圖4所示。由此等效電路推導(dǎo)出輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系，得出理想的幅頻特性的波特圖如圖5所示。

圖3，放大器的典型電路

圖4，放大器的等效電路模型

至此，我們知道帶寬f2即輸出電壓降低到輸入電壓70.7%時(shí)的頻率點(diǎn)。根據(jù)放大器的等效模型，我們可進(jìn)一步推導(dǎo)示波器的上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系式，即我們常提到的0.35的關(guān)系：上升時(shí)間=0.35/帶寬，推導(dǎo)過程如下圖6所示。需要說明的是，0.35是基于高斯響應(yīng)的理論值，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中這個(gè)數(shù)值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會(huì)標(biāo)明“上升時(shí)間”指標(biāo)。示波器測(cè)量出來的上升時(shí)間與真實(shí)的上升時(shí)間之間存在下面的關(guān)系式。在對(duì)快沿信號(hào)測(cè)試中，需要通過該關(guān)系式來修正實(shí)際被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間。

Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2

示波器前端放大器幅頻特性的波特圖是新示波器發(fā)布的“出生證”。示波器每年需要進(jìn)行校準(zhǔn)，波特圖是第一需要校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。示波器波特圖的測(cè)量方法如圖7所示。信號(hào)源從10MHz頻率開始逐漸遞增發(fā)送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器將輸入的信號(hào)能量等分為二后通過等長(zhǎng)的線纜分別送到示波器和功率計(jì)。功分器和線纜是無源器件，可以嚴(yán)格定標(biāo)，信號(hào)源本身的幅頻特性不可以作為定標(biāo)儀器，需要通過功率計(jì)實(shí)測(cè)的能量來作為示波器的輸入幅值的定標(biāo)值。有時(shí)候客戶會(huì)對(duì)示波器的波特圖很感興趣，直接用信號(hào)源連接到示波器來評(píng)估示波器的波特圖，在帶寬超過1GHz時(shí)這種方法是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。需要用功率?jì)來作為定標(biāo)工具!2006年二月份的EDN雜志中有文章介紹。

此外，在計(jì)量波特圖時(shí)需要對(duì)示波器每個(gè)檔位都進(jìn)行計(jì)量，最終產(chǎn)生的波特圖是所有檔位的結(jié)果疊加在一起的。波特圖的計(jì)量是需要半天時(shí)間完成的，并不是想象中那么輕松的工作。如圖8所示是力科SDA9000的波特圖，我特地將Excel中大量數(shù)據(jù)顯示給大家以使大家對(duì)校準(zhǔn)的嚴(yán)謹(jǐn)性有深刻認(rèn)識(shí)。其垂直軸是-1dB/div，疊加了10mv/div、20mv/div、50mv/div、200mv/div、500mv/div、1v/div等檔位的測(cè)試結(jié)果。很多時(shí)候，我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手會(huì)把他們的波特圖畫成-10dB/div、只有一個(gè)檔位的測(cè)試結(jié)果拿給客戶，并和力科提供的這種-1dB/div、各種檔位疊在一起顯示的結(jié)果放在一起進(jìn)行對(duì)比，然后他們告訴客戶，他們的波特圖更平坦，更干凈，甚至將力科波特圖上面密密麻麻的點(diǎn)說成是“噪音”大。這是有點(diǎn)貽笑天下的。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手敢于一再采用這種做法，這是假設(shè)中國(guó)的工程師都沒有辨別力，獨(dú)立思考能力，是對(duì)工程師嚴(yán)重不尊重的公然欺騙行為。希望能引起大家注意。

圖7，示波器波特圖的計(jì)量方法

圖8，示波器實(shí)際的波特圖真相