四、示波器對測量的影響

1．示波器的頻響方式

圖4.1 不同的頻響曲線

不同廠商和不同型號的示波器除了帶寬不一樣以外，其頻率響應方式也可能不一樣。所謂頻率響應方式，是指示波器的前端模擬電路對于不同頻率的正弦波信號的增益曲線。帶寬只是定義了示波器的增益下降-3dB時對應的頻點，但并沒有定義示波器的頻響曲線。圖4.1就是兩個帶寬相同但是頻率響應方式不同的示波器的頻響曲線。按照帶寬的定義，這兩臺示波器的帶寬是一樣的，都是在相同的頻率點增益下降-3dB，但是對于實際信號測量的影響可能是不一樣的。

示波器的頻響方式最傳統的是高斯頻響，高斯頻響的示波器其頻響方式類似低通的高斯濾波器。高斯濾波器的特點是其時域的沖擊響應是一個高斯函數，高斯頻響的示波器有兩個非常重要的特點：在進行階躍信號測試時是沒有過沖的；同時在相同的帶寬情況下高斯頻響的示波器的上升時間最小。很多一階或多階的RC濾波電路的頻響方式都是高斯或類高斯的，實現比較簡單，因此早期的示波器和現在很多中低帶寬的示波器的頻響方式都是高斯或類高斯的。

但是高斯頻響的示波器也有一些缺點，主要體現在帶內損耗較大以及帶外抑制能力不夠。對于帶寬內信號的測量，在信號頻率接近帶寬附近時信號衰減已經比較厲害，所以要達到高的測量精度需要示波器的帶寬比被測信號的帶寬高很多。例如對于快沿信號的測量，一般情況下需要示波器的帶寬是被測信號帶寬的3倍以上才能保證5%以內的上升時間測量誤差。另一方面，高斯頻響的示波器對于帶外的信號的抑制能力不夠（從好的方面說是高斯頻響的示波器測量帶外信號的能力更強），因此如果被測信號的帶寬較寬，可能會有很多超出示波器帶寬的能量進入后面的ADC電路。為了保證信號不產生混疊，對于ADC采樣率的要求就要更高一些，通常高斯頻響的示波器要求的采樣率至少要是示波器帶寬的4倍或以上。

為了提高帶內信號的測量精度并盡可能避免信號的混疊，現代的很多高帶寬示波器會采用另一種頻響方式，即圖4.1中的平坦響應。從頻響曲線上可以看到，采用平坦響應的示波器在進行帶內信號測量時的精度更高一些，例如對于快沿信號的測量，一般情況下示波器的帶寬比被測信號帶寬高40%以上就可以保證比較小的上升時間測量誤差（＜5%）。同時由于平坦響應的示波器帶外抑制能力比較強，無論被測信號的帶寬有多寬，經過示波器的前端電路后信號的主要頻率成分都集中在信號帶寬以內，所以采樣率只需要達到帶寬的2.5倍左右就可以保證信號不會產生混疊（雖然奈奎斯特采樣定律只要求2倍以上，但工程上一般會留一些裕量），這就降低了對于高帶寬示波器ADC采樣率的要求。平坦響應的示波器在具體使用中要注意的一點是最好不要用于測試超出示波器帶寬的信號，因為超出帶寬的頻率成分衰減很厲害，對于寬帶信號測量會帶來比較大的信號變形，例如在進行超出帶寬的快沿信號測量時可能會顯示出更大的過沖。圖4.2是某款示波器在不同帶寬情況下的頻率響應曲線，采用了明顯的平坦響應方式。

圖4.2 平坦響應示波器的頻響曲線舉例

需要注意的是，平坦響應的示波器也不是沒有缺點的。首先，在相同的帶寬下，平坦響應示波器的固有上升時間大于高斯頻響的示波器；其次，在測量階躍或者快沿信號時，當輸入信號的頻譜成分超過示波器帶寬時，由于吉布斯效應，測量到的信號中會有比較大的過沖，這可能會影響到一些高速信號的眼圖測量。例如在圖4.3的例子中，被測信號是個10Gbps的高速串行信號，信號帶寬約為20GHz。在對這個信號分別使用16GHz帶寬的4階Butterworth濾波器（類似平坦響應）和4階Bessel濾波器（類似高斯頻響）進行濾波后，可以看到，當信號頻率成分超出示波器帶寬時，平坦響應的示波器在眼圖測試中出現明顯的過沖。因此，選擇平坦響應示波器進行信號測試，尤其是對快沿信號進行測試時，一定要估算好信號的帶寬，并選擇好足夠帶寬的示波器。而在帶寬足夠的情況下，平坦響應的示波器的測量精度是更高的。

圖4.3 帶寬不足時示波器頻響對于信號測量的影響

對于不同頻響方式的示波器來說，如何根據精度要求進行帶寬計算，針對不同的信號特點有不同的方法。對于正弦波信號，由于頻率成分單一，只需要考慮幅度測量的精度就可以了；對于數字或脈沖信號測量的場合，情況會更加復雜一些，因為數字或脈沖信號有更加復雜的頻率分布，不但要考慮示波器帶寬對信號基頻的影響，還要考慮各次諧波成分以及示波器的頻響方式。對于數字或脈沖信號的測量，目前業(yè)內通用的做法是根據被測信號的上升時間估算信號的帶寬，再在此基礎上根據擬使用的示波器頻響方式以及測量容許的誤差估算需要的示波器帶寬，具體可以參考各示波器廠商推薦的計算公式。