示波器帶寬的內部原理及設計技巧

帶寬被稱為示波器的第一指標，也是示波器最值錢的指標。示波器市場的劃分常以帶寬作為首要依據，工程師在選擇示波器的時候，首先要確定的也是帶寬。在銷售過程中，關于帶寬的故事也特別多。

通常談到的帶寬沒有特別說明是指示波器模擬前端放大器的帶寬，也就是常說的-3dB截止頻率點。此外，還有數字帶寬，觸發帶寬的概念。

我們常說數字示波器有五大功能，即捕獲（Capture），觀察（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電路組成，即放大器芯片，A/D芯片，存儲器芯片和觸發器電路，原理框圖如下圖2所示。被測信號首先經過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個獨立的采樣電平，ADC將這些電平轉化成數字的采樣點，這些數字采樣點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。這個電路在模擬電路的教科書上處處可見。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%時的頻率點。根據放大器的等效模型，我們可進一步推導示波器的上升時間和帶寬的關系式，即我們常提到的0.35的關系：上升時間=0.35/帶寬，推導過程如下圖6所示。需要說明的是，0.35是基于高斯響應的理論值，實際測量系統中這個數值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會標明“上升時間”指標。示波器測量出來的上升時間與真實的上升時間之間存在下面的關系式。在對快沿信號測試中，需要通過該關系式來修正實際被測信號的上升時間。

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布的“出生證”。示波器每年需要進行校準，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頻率開始逐漸遞增發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等長的線纜分別送到示波器和功率計。功分器和線纜是無源器件，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，需要通過功率計實測的能量來作為示波器的輸入幅值的定標值。有時候客戶會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評估示波器的波特圖，在帶寬超過1GHz時這種方法是很不嚴謹的。需要用功率計來作為定標工具！2006年二月份的EDN雜志中有文章介紹。

此外，在計量波特圖時需要對示波器每個檔位都進行計量，最終產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。很多時候，我們的競爭對手會把他們的波特圖畫成-10dB/div、只有一個檔位的測試結果拿給客戶，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行對比，然后他們告訴客戶，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說成是“噪音”大。這是有點貽笑天下的。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，示波器實際的波特圖真相