如何確定示波器帶寬? - 全文

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　　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(guò)程中，關(guān)于帶寬的故事也特別多。

　　通常談到的帶寬沒(méi)有特別說(shuō)明是指示波器模擬前端放大器的帶寬，也就是常說(shuō)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(shuō)數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲(Capture)，觀察(View)，測(cè)量(Measurement)，分析(Analyse)和歸檔(Document)。 這五大功能組成的原理框圖如圖1所示。

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　　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(guò)探頭和放大器及歸一化后轉(zhuǎn)換成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。

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　　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)電路在模擬電路教科書(shū)中處處可見(jiàn)。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。

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　　圖3，放大器的典型電路

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　　圖4，放大器的等效電路模型

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　　圖5，放大器的理想波特圖

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　　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(guò)程如下圖6所示。 需要說(shuō)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(lái)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(guò)該關(guān)系式來(lái)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

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　　圖6，示波器上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系

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　　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(kāi)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(guò)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(wú)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(guò)功率計(jì)實(shí)測(cè)的能量來(lái)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(lái)評(píng)估示波器的波特圖，在帶寬超過(guò)1GHz時(shí)這種方法是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。需要用功率?jì)來(lái)作為定標(biāo)工具!