示波器带宽如何计算？

汉无为 2021-01-21

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我们将介绍如何计算示波器需要的带宽，以及选择示波器需要考虑的因素。

带宽是示波器的基本指标。通常由被测信号的带宽决定。有如下公式可以参考：

1. 信号带宽=0.5/信号上升时间
2. 示波器带宽=2x信号带宽

除去带宽，还有一些其他的基本指标需要考虑。比如：您需要多少带宽? 您需要多少条通道?您要求的采样率是多少? 您需要多少存储器深度?.您需要哪些显示功能? 您需要哪些触发功能? 探测信号的最佳方式是什么? .........今天我们将一一回答。

1. 您的示波器需要多少带宽?

带宽是示波器最重要的指标，因为它决定着不失真的显示以及准确测量的信号范围，并且在很大程度上还决定着用户需要支付的价格。在决定带宽时，您必须使当前有限的预算与实验室中示波器使用的时间综合考虑，并寻找到平衡点。

为了确保示波器为应用提供足够的带宽，您必须考虑示波器将要显示的信号带宽。在当前的数字技术中，系统时钟通常是示波器可能显示的频率最高的信号。示波器的带宽至少应该比这一频率高三倍，以便合理地显示这个信号的形状。

决定示波器所需带宽的另一个信号特征是信号的上升时间。由于您可能看到的不只是纯正弦波，因此在超出信号基础频率的频率上，信号将包含谐波。例如，如果您查看的是方波，那么信号包含的频率至少要比信号的基础频率高 10 倍。如果在查看方波时不能确保相应的示波器带宽，您将在示波器显示屏上看到圆形的边沿，而不是期望看到的清晰快速的边沿。这反而会影响测量精度。

幸运的是，有三个非常简单的公式可以帮助您根据信号特征确定相应的示波器带宽:

1 GHz 示波器

12 GHz 示波器

图 1: 不同带宽的示波器上显示的相同方波

2. 您的示波器需要多少条通道?

乍一看，通道数量似乎是一个简单的问题。毕竟，不是所有示波器都配有两条通道或四条通道吗? 没别的了! 数字信号在当前设计中是越来越常见，传统的 2 通道或 4 通道示波器并不能一直提供所需的通道数量。如果您曾遇到这种情况，您就会了解构建外部触发硬件电路或编写专用软件以找到感兴趣的多通道活动所面临的痛苦。

随着数字领域的日益发展，一种全新的示波器已经增强了自身在数字应用和嵌入式调试应用中的应用范畴。除了传统示波器的 2 或 4 条通道外，混合信号示波器(通常称为MSO) 还提供嵌入式的额外 16 条逻辑计时通道。其结果是，这个全功能示波器可提供最多 20 条时间相关的触发、采集和查看通道。

我们将以常见的 SDRAM 应用为例，介绍如何使用混合信号示波器进行日常调试。为隔离SDRAM 写入周期，您必须对五种不同的信号组合进行触发: RAS，CAS，WE，CS 和时钟。4 通道示波器本身不足以满足这一基本测量要求。

如图 2 所示，16 条逻辑计时通道用于设置在RAS 高、CAS 低、WE 高和 CS 上触发系统。示波器通道 1 用于查看和触发时钟的上升沿。在逻辑分析仪和示波器组合解决方案中，逻辑分析仪只能交叉触发示波器(反之亦然); 与此不同的是，混合信号示波器可在示波器和逻辑计时通道中进行全带宽触发。

图 2: 6 通道测量: RAS、CAS、WE、CS 和CLK 写入触发过程中的数据线。

3. 您要求的示波器采样率是多少?

如前所述，在评估示波器时，采样率是一个非常重要的考察指标。为什么呢? 现在市面上很多示波器采用多个 ADC (模数转换器) 进行复用的方法实现采样。这样做的效果的确可以让单片速度较慢的 ADC 实现高速的采样。不过这种实现方法所面临的问题是可能存在采样失真。比如您将一个正弦波输入到某示波器中，您有可能会发现如下波形。这就是采样失真带来的。

回忆一下第 3 个公式，示波器的采样率至少应该是示波器带宽的四倍。在示波器使用某种数字重建形式时(例如sin(x)/x 插值)，最好至少应使用 4 作为采样率与带宽之间的倍乘数。如果示波器没有采用数字重建形式，那么这个系数应当为 10 倍。由于大多数示波器采用某种数字重建形式，4 倍系数应该足够了。

以一个采用sin(x)/x 插值技术的 12 GHz 示波器为例，为了在每条通道上支持 12 GHz 完整带宽，每通道需要的最低采样率是 4 x (12 GHz) 或是 48 GSa/s。一些 12 GHz 示波器声称最大可达 64 GSa/s 采样率，但并未指出 64 GSa/s 采样率仅适用于一条通道。这种示波器的每通道采样率实际上只有 16 GSa/s，不足以在数条通道上支持 12 GHz 的带宽。

考察采样率的另一种方式是确定采集点之间的预期分辨率。采样率是分辨率的倒数。假设您希望在采集点之间实现 1 ns 的分辨率，则能够提供这一分辨率的采样率是 1/(1 ns) = 1 GSa/s。

总之，确保您所考察的示波器是否是单片ADC 采样，是否可以为所有可能同时使用的通道提供足够的每通道采样率，从而使每条通道都能支持示波器的额定带宽。

4. 需要多少存储器深度?

如前所述，带宽和采样率紧密相关。存储器深度也与采样率密切相关。模数转换器对输入波形进行数字转换，并将得到的数据存储在示波器的高速存储器中。选择示波器的一个重要因素是了解示波器如何使用已存储的这些信息。

存储器技术使用户能够捕获采集数据、放大查看更多细节、或在已采集的数据上进行数学运算、测量和后期处理功能等操作。

许多人认为，示波器的最大采样率指标适用于所有时基设置。这是一种理想状态，代价是可能要求非常大的存储器从而极大程度的提高了示波器的价格。实际上，由于存储器深度有限，随着人们把时基设置成越来越宽的范围，所有示波器必须降低采样率。示波器的存储器越深，以最高采样速率可以捕获的时间越多。您需要查看可能购买的示波器型号，了解时基设置对其采样率的影响。

您所需要的存储器深度取决于希望显示的时长以及希望保持的采样率。如果要在不同采集点间以较高分辨率查看更长的时间，您需要使用深存储器。借助一个简单的公式，您可以得知需要多少存储，其中需要考虑时间间隔和采样率:

如果您希望放大波形并更加仔细地查看，则需要在所有时间设置中确保高采样率以防止出现信号混叠，同时提供波形的详细信息。

一旦确定了存储器深度，您还必须考察在使用最深的存储器设置时示波器的操作方式。采用传统深存储器结构的示波器响应速度慢，这会给生产效率带来负面影响。由于响应速度慢，示波器制造商通常把深存储器降到专用模式，工程师一般只在必须使用深存储器时才使用它。尽管示波器制造商几年来已经在深存储器结构中取得很大进展，但某些深存储器结构的速度仍然很低，操作起来十分耗时。在购买示波器前，一定要评估示波器在最深的存储器设置下的响应能力。

图 3: 这些图像显示了在低扫描速率 (1 ms/格) 时在示波器上采集的 80 MHz 方波, 其中左图的存储器设置为 2 Mpts, 右图的存储器设置为 2 kpts。2 Mpts 深存储器保持了最高的采样率, 可以防止信号混叠。当存储器降低到 2 kpts 时, 采样率会下降 1000 倍。采样率下降会导致示波器对信号采样不足, 从而出现频率为 155 Mz 的混叠信号。尽管右面的波形看上去是正确的, 但实际上并不正确。波形频率漂移了 79.9 MHz。

5. 您的示波器需要哪些显示功能?

所有示波器供应商都知道，他们销售的是波形图像。追溯到模拟示波器时代，示波器 CRT 显示器的设计特点决定着图像的质量。在当前的数字世界中，示波器的显示性能在很大程度上取决于数字处理算法，而不是显示设备的物理特征。

如今的数字示波器分为两大类: 波形查看工具和波形分析仪。为查看波形而设计的示波器通常用于测试和故障诊断应用。在这些应用中，波形图像将提供用户所需的全部信息。在波形分析应用中， Microsoft® Windows® 操作系统和高级分析功能等特点支持更多的分析功能，依据分析结果，决定被测系统的性能状况。

影响显示图像质量的主要因素之一是示波器的更新速率。更新速率是指示波器采集和更新波形显示的速率。由此可知，更快的更新速率能够提高捕获偶发事件的几率，如图 4 所示。如果毛刺每隔 50,000 个周期出现一次，那么快速更新速率可帮助您平均每秒钟捕获两次毛刺。另一方面，一些示波器的更新速率仅为 800 个波形/秒，在捕获同一个毛刺时平均花费一分钟。

鉴于厂商一般只会公布示波器所能实现的最佳更新速率，您在对比不同仪器的更新速率时必须分外谨慎。要想达到这些主要技术指标，通常选择专用采集模式。

图 4: 由Keysight 6000 系列示波器捕获的偶发事件。

这些专用模式可能会严重限制示波器的性能，例如存储器深度、采样率和波形重建。而Keysight 示波器无需使用任何专用采集模式，即可达到100,000 个波形/秒的更新速率。

包括通道数在内的其他多个因素也会限制示波器的更新速率。因此，首先要确定您所需的性能和设置，并根据这些特定条件对示波器更新速率进行测试。

一般来说，单纯依靠厂商公布的技术指标来判定示波器的显示功能还是不够的。在比较多款示波器的显示功能时，必须在实验室中进行实时演示，才能确定哪款示波器可以精确地显示用户需要查看的内容。

6. 您需要哪些触发功能?

许多通用示波器使用边沿触发功能。然而，由于高级触发功能使您能够定位特定事件，因而在某些应用中可能会使用其他触发功能。例如在数字应用中，高级触发功能会对触发通道中的某个码型有很大帮助。如前所述，混合信号示波器可以触发逻辑通道和示波器通道码型，而在示波器/逻辑分析仪组合解决方案中，用户只能通过把各自输入/输出触发信号电缆连接在一起，以交叉触发两台仪器。

对于串行设计人员，某些示波器甚至为SPI、CAN、USB、I2C、FlexRay 和LIN 等标准配备了串行触发协议。高级触发选件能够在日常调试任务中节约大量的时间。

如果您需要捕获偶发事件，情况会怎样? 毛刺触发允许触发正向毛刺或负向毛刺，或触发大于或小于指定宽度的脉冲。这些特性在进行故障诊断时特别有用。您可以触发问题，向回查看时间，以便找出导致问题出现的根源。

此外，当前市场上的多数示波器还为电视、HDTV 和视频应用提供了触发功能。通过使用示波器的电视触发功能，您可以在需要查看的场和具体行上触发系统。

7. 探测信号的最佳方式是什么?

由于系统带宽(亦即示波器/探头组合的带宽) 以这两种带宽中的低者为准，因此选择合适的探头十分重要。以一个配有 500 MHz 无源探头的 1 GHz 示波器为例，该组合的系统带宽是 500 MHz。如果由于探头的缘故而仅能获得 500 MHz 带宽，那么您购买 1 GHz 示波器是达不到期望的1 GHz 带宽的。

此外，您每次把探头连接到电路上时，探头会变成被测电路的一部分。探针在本质上是一条短传输线。传输线是一种L-C 谐振电路。当L-C 谐振电路的频率为传输线的 1/4波频率时，其阻抗将会变低并接近于零，同时为被测件带来负载。您可以轻松地在信号的低速上升时间和减幅振荡中查看L-C 谐振电路的负荷。

有源探头不仅提供比无源探头更大的带宽，还消除了在探头连接到被测件(DUT) 时的部分传输效应。通过在有源探头中采用电阻“ 衰减”探针和配件，安捷伦最大限度地降低了信号负荷以及由此产生的信号失真。这些衰减的附件可以防止L-C 谐振电路的阻抗变得太低，从而防止加载信号产生减幅振荡和信号失真。

此外，衰减的附件使得探头的频率响应能够在整个探头带宽范围内保持平坦。通过平坦的频率响应，您可以在探头的整个带宽内预防信号失真。

既然已经解决了信号失真问题，下一步是确保即使在使用探头附件时仍能实现全部带宽。通过在探头放大器和探针之间使用受控的传输线，Keysight InﬁniiMax 探头优化了探头带宽。通过使用一个放大器，您可以连接各种差分探头或单端探头(包括浏览探头、带插座的探头、焊接探头和SMA 探头)，并获得全部系统带宽。另外，由于受控传输线可将探头放大器与探针分离，您便能轻松地获得紧凑的探头空间。其中的关键是在使用各种探头和附件时了解探头的额定带宽。