關(guān)于示波器的幅頻特性曲線(xiàn)

幅頻特性曲線(xiàn)的計量和示波器的垂直量程有關(guān)，不同的量程得到的幅頻特性曲線(xiàn)不一樣，因此，需要計量不同量程時(shí)的幅頻特性曲線(xiàn); 和采樣率有關(guān)，因為采樣率會(huì )影響到幅值測量的準確性，一般要將采樣率設置為最大; 和連接信號源與示波器接口之間的電纜有關(guān)，因為高頻時(shí)存在衰減和反射問(wèn)題，和輸入信號的幅值大小有關(guān)，因此要用功率計來(lái)保證不同頻率時(shí)的輸出功率相同; 和示波器的輸入通道有關(guān)，不同輸入通道相同量程下的的幅頻特性曲線(xiàn)可能不一樣。

考慮到計量科學(xué)的嚴謹性，還有幾個(gè)細節問(wèn)題需要討論：

(1)不同量程下輸入正弦信號的幅值如何定義？

標定在不同量程下的幅頻特性曲線(xiàn)需要輸入不同幅值的正弦波信號，否則對于有些量程，波形會(huì )超出示波器屏幕，而有些量程下波形只占屏幕的一小部分,量化誤差很大。

輸入信號的幅值大小一般以盡量占滿(mǎn)柵格為準。據說(shuō)有規范上要求是以低頻時(shí)占滿(mǎn)柵格的6格為準。具體做法就是：在輸入很低頻率時(shí)調節信號源的輸出幅值，使信號占滿(mǎn)6格，用功率計測量此時(shí)信號的功率，然后逐漸增加頻率，在每一個(gè)頻率點(diǎn)都用功率計標定，確保輸入到示波器輸入端口的能量始終是相同的，然后再測量每個(gè)頻率點(diǎn)的幅值。

(2)幅頻特性曲線(xiàn)的縱坐標的測量參數該使用示波器測量的幅值，峰峰值還是標準偏差值？

這個(gè)問(wèn)題似乎不應該討論，但卻一直在小范圍內爭論不休，沒(méi)有結論。有的計量專(zhuān)家要求是以幅值為準，也有專(zhuān)家認為用峰峰值更合適，但也有認為最合理的是用標準偏差（sdev）。對于低帶寬示波器，其實(shí)不管采用哪個(gè)測量參數，因為裕量比較大，爭議比較少，但在高端示波器，采樣率不是特別大的情況下，測量峰峰值和幅值的差別會(huì )比較大。對于現在有些低帶寬示波器，譬如在100MHz帶寬下，采樣率只有250MS/s，計量時(shí)用幅值或峰峰值的影響也一樣很大。

采用幅值的方法被稱(chēng)為眾數法，就是以正弦波的頂部和底部出現概率最大的位置作為測量的依歸，如圖4所示top和base的算法原理。 這樣會(huì )去掉了頂部的一些樣本，以略低于頂部的位置來(lái)讀數。但是峰峰值卻可能把隨機噪聲也采樣進(jìn)去。 筆者認為采用sdev更合理，但是這個(gè)測量參數不能被采納為計量標準，因為有些低端示波器并沒(méi)有sdev這個(gè)測量參數。

圖4 幅值算法的來(lái)源

(3)是將實(shí)時(shí)采樣率設置為最大，還是等效采樣率設置為最大？

如果按照現在有些專(zhuān)家堅持采用幅值來(lái)作為計量依據，根據圖4的算法，幅值的測量精度強烈依賴(lài)于采樣樣本數的大小。如果采用等效采樣方式，可以在頂部和底部通過(guò)等效采樣的算法原理“產(chǎn)生”更密集的樣本，雖然這些樣本并不一定完全代表真實(shí)樣本，這對于計量中使用信號源輸出的正弦信號信號未必也不是一種好方法。 但是由于等效采樣畢竟不是完全代表真實(shí)的樣本信息，該方法也并沒(méi)有被專(zhuān)家們采納。

(4)是否可以采用正弦插值，插值多少個(gè)點(diǎn)是允許的？

在實(shí)時(shí)采樣前提下采用正弦插值同樣會(huì )增加幅值測量的準確性。筆者了解到正弦插值是可以被接受的，但是具體插值的樣本數的數量目前在計量界也沒(méi)有統一的說(shuō)法。示波器打開(kāi)正弦插值時(shí)默認的插值樣本數對于不同型號的示波器并不一樣，但是插值的樣本數量會(huì )影響到幅值測量精度。不同的插值樣本數可能帶來(lái)計量結果上的些微偏差。

(5)帶寬范圍以?xún)鹊姆l特性曲線(xiàn)和理想曲線(xiàn)之間的偏差，光滑度如何定義？

這個(gè)問(wèn)題揭示了示波器測量的一個(gè)最大的誤差來(lái)源。在示波器行業(yè)，并沒(méi)有一個(gè)規范來(lái)要求示波器的幅頻特性曲線(xiàn)在帶寬范圍以?xún)群屠硐肭€(xiàn)之間偏差控制在多大。只要在帶寬范圍以?xún)?，任何量程下的任何頻率點(diǎn)的正弦信號的輸出電壓大小不降低到輸入的70.7%以下都認為該示波器的帶寬是滿(mǎn)足要求的。譬如100MHz帶寬的示波器，輸入100MHz，1V的正弦波，在20MHz時(shí)的輸出電壓是0.8V，在50MHz時(shí)是1.2V，在80MHz時(shí)是0.73V，在100MHz時(shí)是0.71V。這個(gè)示波器是合格的！這樣的數字化方式來(lái)表達這個(gè)概念讓人印象深刻，但也讓人覺(jué)得很郁悶。

3.1.1鼎陽(yáng)SDS3054的幅頻特性曲線(xiàn)

鼎陽(yáng)科技不同系列示波器的幅頻特性曲線(xiàn)的光滑度都非常好，而且在不同通道，不同量程下的一致性也非常地好。如圖5所示是基于掃頻點(diǎn)描法得到的SDS3054的幅頻特性曲線(xiàn)。其橫坐標是頻率的對數lg(f)，圖中標識100表示該處對應的是100MHz，但在繪制時(shí)是以lg(100）得來(lái)的; 縱坐標是20lg(Vout/Vref），Vout表輸入不同頻率時(shí)的示波器測量結果，Vref表示在起始最低頻率(該例中為50KHz）時(shí)的示波器測量結果?？梢钥闯鲈?00MHz之前都很接近0dB，在300MHz時(shí)也僅衰減約-0.25dB，輸出電壓降低到輸入大約97.2%。在 -3dB 的轉折頻率點(diǎn)為600MHz，就是說(shuō)SDS3054的標稱(chēng)帶寬實(shí)際上達到了600MHz！ 而且更難能可貴的是，四個(gè)通道的幅頻特性曲線(xiàn)的一致性非常地好！

圖5 鼎陽(yáng)SDS3054的幅頻特性曲線(xiàn)

3.1.2鼎陽(yáng)SDS1102E的幅頻特性曲線(xiàn)

如圖6所示為鼎陽(yáng)科技新推出的電商專(zhuān)品示波器SDS1102E的幅頻特性曲線(xiàn)?？梢钥闯?，在100MHz范圍內，其幅值的穩定度非常好。在100MHz到200MHz由于刻度步進(jìn)比較大，無(wú)法確認在-3dB時(shí)的具體帶寬是多少，但從圖中可以肯定是大于150MHz。

示波器廠(chǎng)商都會(huì )有自動(dòng)化軟件來(lái)自動(dòng)獲得幅頻特性曲線(xiàn)圖形。筆者將產(chǎn)生這個(gè)圖形的Excel數據公布如下表1。通過(guò)表格數據，我們可以確認，SDS1102E的實(shí)際帶寬可以達到120MHz以上。在120MHz時(shí)的幅值衰減還不到2dB。

圖6 鼎陽(yáng)SDS1102E的幅頻特性曲線(xiàn)

表1 鼎陽(yáng)SDS1102E的幅頻特性曲線(xiàn)的計量數據

3.2掃頻FFT法

掃頻FFT法就是逐漸改變信號源的信號頻率，利用示波器的FFT運算結果來(lái)表征示波器的帶寬。由于帶寬的影響，示波器測量到的正弦波信號的幅值降低，相應FFT的基波最大值也會(huì )降低，查看降低到-3dB的頻率點(diǎn)就是帶寬。