在具體測試過程中,示波器到底選擇多少帶寬比較合適呢?
首先,看下面的實例。
從上圖可以看出,帶寬越大,所能顯示的信號頻率分量越豐富,也就能更加接近真實的信號波形。
1、示波器帶寬的精確計算
可按照以下步驟來完成計算:
a、 判斷被測信號的最快上升/下降時間
b、 判斷最高信號頻率f
f = 0.5/RT (10%~90%)
f = 0.4/RT (20%~80%)
c、 判斷所需的測量精確度
所需精確度 |
高斯頻響 |
最大平坦頻響 |
20% |
BW=1.0*f |
BW=1.0*f |
10% |
BW=1.3*f |
BW=1.2*f |
3% |
BW=1.9*f |
BW=1.4*f |
d、 計算所需帶寬。
舉例說明:
判斷一個高斯響應示波器在測量被測數字信號時所需的最小帶寬,其中被測信號最快上升時間為1ns(10%~90%):
f = 0.5/1ns = 500MHz
若要求3%的測量誤差:所需示波器帶寬 = 1.9*500MHz = 950 MHz
若要求20%的測量誤差:所需示波器帶寬 = 1.0*500MHz = 500MHz
因此,決定示波器帶寬的重要因素是:被測信號的最快上升時間。
示波器的系統帶寬由示波器帶寬和探頭帶寬共同決定:
a、高斯頻響:系統帶寬 =
b、最大平坦頻響:系統帶寬 = Min{示波器帶寬,探頭帶寬}
例如:1GHz帶寬的示波器,配置1GHz帶寬的無源探頭,若它們的頻響為高斯頻響,則系統帶寬為:700MHz左右。
2、影響示波器帶寬的因素
通常,這些因素有:采樣率、頻響曲線。
a、頻率曲線
頻響曲線如下圖所示。
b、 采樣率
根據Nyquist采樣定律,采樣頻率必須2倍於信號最高頻率,即:
Fs > 2 * fmax
才能保證信號可以被無混疊的重構出來。
(1)對於理想磚牆頻響來說,采樣率=示波器帶寬*2,即可重構出信號。但是該情況在真實世界中是不存在的,大多數示波器的頻響都是介於理想磚牆頻響和高斯頻響之間。
(2)對於高斯頻響,采樣率=示波器帶寬*4,可對被測信號中的大部分頻率成分進行無混疊重構。通常實際示波器的頻響大多比高斯頻響陡一點。
(3)對於最大平坦頻響,采樣率=示波器帶寬*2.5,即可對被測信號中的大部分頻率成分進行恢復。目前一些高端示波器都可以做到利用2.5倍帶寬的采樣率來完成信號重構。
是不是采樣率越高量測精度越高?
以1GHz正弦波觀測為例,見下圖。
以6GHz帶寬最大平坦頻響的示波器(20GSa/s和40GSa/s)為例,
被測信號為:1.25GHz時鍾,上升時間為100ps左右。測試結果如下圖:
由上圖可知,在采樣率為帶寬6.6倍時,相比3.3倍的情況,波形的重建並不太大改善。因此,采樣率夠用就好。
相反,更高的采樣率並不一定會帶來更高的量測精度,原因如下:
(1)更高的采樣率會使用多個ADC拼接,造成波形失真。
(2)采樣率過高,會使ADC的有效位數降低(可能只能達到4~5位的分辨率)。
因此,量測精度由多個因素共同決定,采樣率在夠用的前提下,不一定是越高越好,在有些情況下,高采樣率反而會帶來更差的量測精度。