示波器帶寬的內部原理及設計技巧

帶寬被稱(chēng)為示波器的第一指標，也是示波器最值錢(qián)的指標。示波器市場(chǎng)的劃分常以帶寬作為首要依據，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(xiāo)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，還有數字帶寬，觸發(fā)帶寬的概念。

我們常說(shuō)數字示波器有五大功能，即捕獲（Capture），觀(guān)察（View），測量（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，存儲器芯片和觸發(fā)器電路，原理框圖如下圖2所示。被測信號首先經(jīng)過(guò)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分割成一個(gè)個(gè)獨立的采樣電平，ADC將這些電平轉化成數字的采樣點(diǎn)，這些數字采樣點(diǎn)保存在采集存儲器里送顯示和測量分析處理。

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(shū)上處處可見(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)。根據放大器的等效模型，我們可進(jìn)一步推導示波器的上升時(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是基于高斯響應的理論值，實(shí)際測量系統中這個(gè)數值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會(huì )標明“上升時(shí)間”指標。示波器測量出來(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。在對快沿信號測試中，需要通過(guò)該關(guān)系式來(lái)修正實(shí)際被測信號的上升時(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，波特圖是第一需要校準的數據。示波器波特圖的測量方法如圖7所示。信號源從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能量等分為二后通過(guò)等長(cháng)的線(xiàn)纜分別送到示波器和功率計。功分器和線(xiàn)纜是無(wú)源器件，可以嚴格定標，信號源本身的幅頻特性不可以作為定標儀器，需要通過(guò)功率計實(shí)測的能量來(lái)作為示波器的輸入幅值的定標值。有時(shí)候客戶(hù)會(huì )對示波器的波特圖很感興趣，直接用信號源連接到示波器來(lái)評估示波器的波特圖，在帶寬超過(guò)1GHz時(shí)這種方法是很不嚴謹的。需要用功率計來(lái)作為定標工具！2006年二月份的EDN雜志中有文章介紹。

此外，在計量波特圖時(shí)需要對示波器每個(gè)檔位都進(jìn)行計量，最終產(chǎn)生的波特圖是所有檔位的結果疊加在一起的。波特圖的計量是需要半天時(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中大量數據顯示給大家以使大家對校準的嚴謹性有深刻認識。其垂直軸是-1dB/div，疊加了10mv/div、20mv/div、50mv/div、200mv/div、500mv/div、1v/div等檔位的測試結果。很多時(shí)候，我們的競爭對手會(huì )把他們的波特圖畫(huà)成-10dB/div、只有一個(gè)檔位的測試結果拿給客戶(hù)，并和力科提供的這種-1dB/div、各種檔位疊在一起顯示的結果放在一起進(jìn)行對比，然后他們告訴客戶(hù)，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(shuō)成是“噪音”大。這是有點(diǎn)貽笑天下的。競爭對手敢于一再采用這種做法，這是假設中國的工程師都沒(méi)有辨別力，獨立思考能力，是對工程師嚴重不尊重的公然欺騙行為。希望能引起大家注意。

圖7，示波器波特圖的計量方法

圖8，示波器實(shí)際的波特圖真相