三、數(shù)字示波器的主要指標

1．示波器的帶寬

帶寬是示波器最重要的一個指標，它決定了這臺示波器測量高頻信號的能力。前面我們介紹過，示波器的帶寬主要由前端的放大器等模擬器件的特性決定。對于一般的放大器來說，其增益不可能在任何頻率下都保持一樣，示波器中使用的放大器也是如此。示波器中的放大器的工作頻點是從直流開始的，其增益隨著輸入信號的頻率增高會逐漸下降。一般把放大器增益下降-3dB對應的頻點稱為這個放大器的帶寬，示波器的帶寬也是用同樣方法定義的。圖3.1是示波器帶寬定義的示意圖。

對于一臺標稱帶寬為1GHz的示波器，假設輸入一個標準的50MHz、1V峰峰值的正弦波信號，在示波器上測量到的信號幅度為A；然后將輸入信號的幅度保持不變，頻率逐漸增加到1GHz，這時在示波器上測量到的信號幅度為B。如果20lg（B/A）的計算結果沒超過-3dB（例如為-2.8dB），這臺示波器就是合格的，否則就是不合格的。對于示波器的帶寬檢定通常使用的也是這種方法。

需要注意的是，-3dB是按信號功率計算的，相當于信號的功率增益下降1/2。示波器實際測量的是電壓信號，功率與電壓的平方成正比，所以-3dB相當于示波器電壓的增益隨著頻率的增加下降到原來的0.707倍。因此，對于一個50MHz、1V峰峰值的正弦波信號，用1GHz帶寬的示波器測量到的幅度應該是1V左右，而如果被測信號的幅度不變但是頻率增加到1GHz，這時測量到的信號幅度可能只有0.7V左右了。

從前面的例子可以看出，示波器并不是對帶寬內的所有頻率信號都保持相同的測量精度的，被測信號頻率越接近帶寬附近，測量結果的幅度誤差越大，如果這個幅度誤差超過了可以接收的范圍，就要考慮用更高帶寬的示波器進行測量。另外示波器也不是絕對不可以對超過帶寬的信號進行測量，如果被測信號的頻率只是稍微超過了示波器的帶寬，雖然信號的衰減會比較大，但大概的頻率、周期等時間信息還是比較準確的（對正弦波信號）。

至于具體某個頻點的衰減是多大，需要準確知道示波器的頻響曲線。一般示波器廠商在公開的場合只會提供帶寬指標而沒有具體的頻響曲線，如果確實需要，可以通過用微波信號源配合功率計掃描得到這條曲線。

示波器的帶寬主要取決于前端的衰減器和放大器的帶寬，因此大的示波器廠商都有自己特有的技術來實現(xiàn)高的帶寬。以Keysight公司為例，其33GHz的示波器前端芯片采用InP（磷化銦）的高頻材料，并使用了MCM（Multi-Chip Module）的多芯片封裝技術，打開其MCBGA（多芯片BGA）芯片的屏蔽殼后（見圖3.2），可以看到其內部主要由5片InP材料的芯片采用三維工藝封裝而成。其中包含2片33GHz帶寬InP材料做成的放大器，可以同時支持2個通道的信號輸入；2片InP材料做成的觸發(fā)芯片以及1片InP材料做成的80GSa/s的采樣保持電路；所有芯片采用快膜封裝技術封裝在一個密閉的屏蔽腔體內。

隨著信號頻率和數(shù)據(jù)速率的提高，對于示波器帶寬的需求越來越高。如果沒有能力設計高帶寬的放大器前端，或者現(xiàn)有的硬件技術無法提供足夠高的帶寬時，有時會采用一些其他的方式來提升帶寬，其中常用到的是DSP帶寬增強和頻帶交織技術。

DSP帶寬增強技術實際上是一種數(shù)字DSP處理技術。采用數(shù)字DSP處理技術的初衷并不是為了增強帶寬，而是為了進行頻響校正。一般寬帶放大器在帶內各個頻點的增益不一定是完全一致的，所以寬帶放大器通常會有一個帶內平坦度指標衡量增益的波動情況。通過用數(shù)字技術補償頻響波動可以在帶內獲得比較平坦的頻響曲線，獲得更準確的測量結果。進一步地，為了充分利用帶寬以外頻點的能量，可以通過數(shù)字處理技術把帶寬以外一部分頻率成分的能量增強上去，這樣-3dB對應的頻點就會右移，相當于帶寬提高了。圖3.3顯示了帶寬增強對系統(tǒng)頻響特性的改變。帶寬增強技術在提高帶寬的同時也會提升系統(tǒng)的高頻噪聲，所以這種技術雖然提高了帶寬，但增加了噪聲。帶寬增加越多，噪聲的放大比例越大。因此，帶寬增強技術雖然實現(xiàn)簡單，但不適用于大比例增加系統(tǒng)帶寬。反過來，用數(shù)字處理技術還可以根據(jù)需要壓縮帶寬。帶寬壓縮的同時一部分頻率成分的噪聲也被濾掉，所以在不需要高帶寬時可以降低系統(tǒng)噪聲。帶寬增強和壓縮技術在很多高端示波器上都有使用。

除了DSP帶寬增強以外，頻帶交織技術也是另一種提升帶寬的方法。頻帶交織技術是在頻域上把信號分成兩個或多個頻段處理，例如把輸入信號分成低頻段和高頻段兩個頻段分別采樣和處理，再用DSP技術合成在一起。圖3.4是頻帶交織技術實現(xiàn)的原理。例如，假設放大器硬件帶寬只能做到16GHz，而希望實現(xiàn)25GHz的帶寬，這就要把16GHz以下的能量濾波后用一個放大器放大后采樣，16～25GHz的能量經(jīng)濾波、下變頻后再用另一個放大器放大后采樣。這種方法推廣開來可以3個頻段或4個頻段復用實現(xiàn)更高的帶寬。但是有射頻知識的人都知道，硬件上是做不出來那么理想的濾波器，正好把需要的頻率都放進來，同時把不需要的頻率分量都濾掉的，而且寬帶信號的下變頻的過程會產生非常多的信號混疊和雜散問題。因此，使用這種方法后，如果硬件電路設計和數(shù)學修正方法不好，在頻段的交界點附近會有很大的問題，最典型的表現(xiàn)就是在頻段交界點附近噪聲會明顯抬高，信號失真明顯變大。