示波器那些事兒--之帶寬

示波器帶寬是指正弦曲線輸入信號(hào)被衰減到信號(hào)真實(shí)幅度70.7%的頻率，稱為-3dB點(diǎn)。如圖所示：

如果沒(méi)有充足的帶寬，示波器將不能解析高頻變化，幅度將失真，邊沿將消失，細(xì)節(jié)將丟失。如果沒(méi)有充足的帶寬，示波器的所有功能和浮華都沒(méi)有任何意義。

任何信號(hào)都可以分解成無(wú)數(shù)次諧波的疊加，從頻域來(lái)理解，帶寬選擇的總原則是：帶寬能覆蓋被測(cè)信號(hào)各次諧波的99.9%的能量就足夠了。帶寬選擇的根源就在于：我們不能直觀地知道被測(cè)信號(hào)能量的99.9%對(duì)應(yīng)的帶寬是多少。

“示波器的帶寬當(dāng)然是越高越好”這句話從某種意義上是正確的：帶寬越高，意味著能夠準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)信號(hào)的帶寬越高，可能實(shí)現(xiàn)的信號(hào)復(fù)現(xiàn)精度就越高；示波器的帶寬越高，那么示波器的上升時(shí)間越小，測(cè)量出上升時(shí)間的準(zhǔn)確度越高。但是帶寬越高，價(jià)值越大，也越值錢(qián)。另外從使用角度來(lái)說(shuō)，帶寬越高未必越好。

在不確定信號(hào)分解到第N次諧波的時(shí)候能量衰減到99.9%，在選擇和使用示波器時(shí)可以留下足夠的帶寬裕量，但是帶寬過(guò)高會(huì)造成一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題是：引入的噪聲能量超過(guò)了同等帶寬范圍內(nèi)的信號(hào)的自身的能量，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，這就是測(cè)量中反復(fù)要提及的信噪比（SNR）問(wèn)題。

假如使用500MHz的示波器能覆蓋被測(cè)信號(hào)99.9%的能量，測(cè)量精度可以達(dá)到5%以內(nèi)，但是我們偏要使用1GHz的示波器，那么在500MHz～1GHz頻率范圍內(nèi)引入的噪聲能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于500MHz～1GHz范圍內(nèi)覆蓋的被測(cè)信號(hào)剩下的0.1%的能量，測(cè)量的結(jié)果在時(shí)域上就表現(xiàn)為波形上疊加了很多高頻成分的隨機(jī)噪聲，影響到一些參數(shù)的測(cè)量結(jié)果，因此反而使用500MHz測(cè)量的結(jié)果更準(zhǔn)確！這就是為什么在測(cè)量電源紋波時(shí)候，我們要將帶寬限制為20MHz。

在數(shù)字領(lǐng)域中，上升時(shí)間測(cè)量至關(guān)重要。在預(yù)計(jì)測(cè)量數(shù)字信號(hào)時(shí)，如脈沖和階躍，上升時(shí)間可能是更適合的性能考慮因素。示波器必須有充足的上升時(shí)間，才能準(zhǔn)確捕獲迅速跳變的細(xì)節(jié)，示波器上升時(shí)間越快，捕獲快速跳變關(guān)鍵細(xì)節(jié)的精度越高。上升時(shí)間描述了示波器的實(shí)用頻率范圍。在某些應(yīng)用中，可能只知道信號(hào)的上升時(shí)間，有一個(gè)常數(shù)，可以把示波器的帶寬和上升時(shí)間關(guān)聯(lián)起來(lái)：

帶寬=K/上升時(shí)間

其中K是位于0.35和0.45之間的值，具體視示波器頻響曲線形狀和脈沖上升時(shí)間響應(yīng)的形狀而定。帶寬<1GHz的示波器的K值一般為0.35，帶寬>1GHz的示波器的K值一般為0.40和0.45之間。

為確定準(zhǔn)確檢定特定應(yīng)用中信號(hào)幅度所需的示波器帶寬，應(yīng)采用5倍法則，即

示波器帶寬≧信號(hào)的最高頻率成分X5

使用5倍法則選擇的示波器將在測(cè)量中提供小于±2%的誤差，這對(duì)當(dāng)前應(yīng)用一般足夠了。但是隨著信號(hào)速度的提高，這一經(jīng)驗(yàn)法則可能實(shí)現(xiàn)不了。

某些示波器通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理，提供了一種增強(qiáng)帶寬的方法?？梢允褂?strong>DSP任意均衡濾波器，改善示波器通道響應(yīng)。這個(gè)濾波器擴(kuò)大了帶寬，使示波器通道頻響平坦化，改善相位線性度，在通道之間實(shí)現(xiàn)更好的匹配程度。它還降低了上升時(shí)間，改善了時(shí)域階躍響應(yīng)。