理解示波器的頻率響應(yīng)及其對上升時間測量精度的影響

使用這一關(guān)系式，可得到上升時間為700ps的信號，其主要頻率在714MHz以下。我們可從圖1看到對于最高為714MHz的頻率，平坦響應(yīng)示波器比高斯響應(yīng)示波器有更小的衰減，因而能更精確地測量700ps跳變沿的上升時間，如圖3所示。平坦頻響示波器測量該上升時間的誤差為3%，而高斯頻響示波器則達(dá)到9%。

若被測信號上升時間特別快（即更快的跳變沿），高斯響應(yīng)示波器最終反而將超過平坦響應(yīng)示波器的上升時間測量精度。這是因為隨著信號上升時間減小(即跳變沿更快)， -3dB 以上頻率成分增加，此時平坦響應(yīng)示波器的幅度響應(yīng)將低于高斯響應(yīng)示波器。

圖4是用我們例子中所使用的兩種示波器，對各種不同上升時間的信號的測量誤差。應(yīng)注意在高斯響應(yīng)示波器測量精度超過平坦響應(yīng)示波器交界處，上升時間測量誤差已經(jīng)達(dá)到15%。因此，對于信號上升時間的精確（< 15%）測量，在同樣帶寬時，平坦響應(yīng)示波器遠(yuǎn)優(yōu)于高斯響應(yīng)示波器。這與一般認(rèn)為對于理想（快）階躍信號輸入，高斯響應(yīng)示波器比平坦響應(yīng)示波器有更快的上升時間這一直覺不符。應(yīng)記住示波器上升時間指標(biāo)本身并不完全說明被測上升時間有多精確，必須同時考慮示波器的頻率響應(yīng)類型。

采樣混疊誤差

數(shù)字示波器使用兩種基本采樣方法：重復(fù)采樣和實(shí)時采樣。重復(fù)采樣示波器的應(yīng)用場合是針對重復(fù)信號的，將多次采集的樣點(diǎn)構(gòu)建成一個波形，不易產(chǎn)生采樣混疊誤差。實(shí)時采樣示波器往往是一次采集捕獲所有的信號信息，或一旦有您感興趣的信號，就采集，否則一直等待。這里的討論主要針對更常見的實(shí)時采樣示波器，它比重復(fù)采樣示波器有更多的優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)字實(shí)時示波器要精確測量信號，信號必須沒有過多NyQuist頻率之上的頻率成分，NyQuist頻率等于采樣頻率的一半。在頻域中，高于NyQuist頻率的頻率成分將折合到低于NyQuist頻率。在時域，這一誤差以具有“顫動”跳變沿的脈沖響應(yīng)出現(xiàn)，如圖5所示。在不一致的上升時間和時間差測量中，會產(chǎn)生“顫動”的跳變沿。

對于圖1中采樣率為4GHz注9的例子，NyQuist頻率為2GHz。高斯響應(yīng)示波器允許采樣2GHz以上的頻率成分，這些頻率成分會對信號造成采樣混疊誤差。但平坦響應(yīng)示波器衰減了2GHz以上的所有頻率成分，因此不存在采樣混疊誤差。

為精確測量信號，沒有采樣混疊誤差，示波器必須有足夠的采樣率。對于高斯響應(yīng)示波器，采樣率通常需要4倍于示波器帶寬，甚至是6倍于示波器帶寬。而平坦響應(yīng)示波器有陡峭的濾波器，因此2.5倍于示波器帶寬的采樣率就能避免混疊誤差。

確定需要多高的帶寬

為估算進(jìn)行精確測量所需要的示波器帶寬，請參看表1中提供的信息。第一步是根據(jù)信號上升時間注10確定信號最高頻率（Fmax）。然后根據(jù)要求的測量精度，用信號最高頻率（Fmax）乘以一個相應(yīng)系數(shù)，以確定所需要的示波器帶寬。最后是確保示波器有充足的采樣率，從而能實(shí)現(xiàn)沒有采樣混疊誤差的要求帶寬。

例如，為用平坦響應(yīng)示波器以10% 的精度測量上升時間為100ps（20% ~ 80%）的信號，需要的帶寬為（0.4 / 100ps ）×1.2 = 4.8GHz，最小采樣率為4.8GHz×2.5 = 12GSa/s。若測量精度要求為3%, 需要的帶寬則為(0.4 / 100ps)×1.4 = 5.6GHz，最小采樣率為5.6GHz×2.5 = 14GSa/s。

這方法僅用于估算所需帶寬。各種示波器有不同的頻率響應(yīng)，必須通過測量仔細(xì)驗證上升時間的實(shí)際精度。

總結(jié)

對于數(shù)字信號上升時間的精確測量（誤差 < 15%），平坦響應(yīng)示波器有比相同帶寬高斯響應(yīng)示波器更好的測量精度。平坦響應(yīng)示波器的另一好處是它通常帶有磚墻濾波器，從而能減小或防止采樣混疊誤差。

需要多高帶寬的示波器主要由信號上升時間決定，而不是由信號頻率確定。為進(jìn)行精確測量，所選示波器的頻率響應(yīng)應(yīng)覆蓋被測信號最高頻率（由公式0.5?上升時間（10% ~ 90%）確定）。對于現(xiàn)代平坦響應(yīng)示波器來說，一般只要示波器帶寬達(dá)到最高信號頻率的1.4倍，就能進(jìn)行精確的上升時間測量。