2．示波器帶寬對測量的影響

示波器的帶寬指的是示波器可以測量的幅度誤差不超過-3dB的正弦波的頻率值，也就是示波器可以測量的頻率上限。超過示波器帶寬的信號輸入示波器，這個信號就被過度衰減，再現波形也就失真過度了。對于數字信號來說，經驗告訴我們，示波器的帶寬至少應比被測系統最快的數字時鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標準，該示波器就能以最小的信號衰減捕捉到被測信號的5次諧波。信號的5次諧波在確定數字信號的整體形狀方面非常重要。

但如果需要對高速邊沿進行精確測量，那么這個簡單的經驗公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實際高頻成分。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個拐點（參考資料：High-Speed Digital Design:A Handbook of Black Magic, Howard Johnson and Martin Graham, Prentice Hall,1993），高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀影響很小。具備最大平坦頻響的示波器比具備高斯頻響的示波器對帶內信號的衰減較小，也就是說前者對帶內信號的測量更精確。但具備高斯頻響的示波器比具備最大平坦頻響的示波器對帶外信號的衰減小，也就是說在同樣的帶寬規格下，具備高斯頻響的示波器通常具備更快的上升時間。

與示波器帶寬規格緊密相關的是其上升時間參數。具備高斯頻響的示波器，按照10%～90%的標準衡量，上升時間約為0.35/BW；具備最大平坦頻響的示波器上升時間規格一般為0.4/BW～0.45/BW，隨示波器頻率滾降特性不同而有所差異。但示波器的上升時間并非示波器能精確測量的最快的邊緣速度，而是當輸入信號具備理論上無限快的上升時間（0ps）時，示波器能夠得到的最快邊沿速度。這種理論參數不可能測得到，因為脈沖發生器不可能輸出邊沿無限快的脈沖，實際使用中可以通過一個上升時間比示波器本身可能的上升時間快3～5倍的快沿信號，測量示波器的上升時間。

圖4.4給出了利用一臺帶寬為100MHz的示波器MSO6014A測量一個邊沿速度為500ps（10%～90%）的100MHz數字時鐘信號得到的波形結果。可以看出，該示波器只能通過該時鐘信號的100MHz基本頻率成分，因此，時鐘信號顯示出來大約是正弦波的形狀，這時信號已經明顯變形，說明100MHz的帶寬對于這里測量的100MHz的方波時鐘信號就明顯不夠了。

接下來提高示波器帶寬，圖4.5給出了利用500MHz帶寬的示波器MSO6054A測量同一信號的結果。可以看出，該示波器最高能捕捉到信號的5次諧波，恰好滿足傳統計算方法給出的建議。但在測量上升時間時發現，用這臺示波器測量得到的上升時間約為750ps。在這種情況下，示波器對信號上升時間的測量就不是非常準確，它得到的測量結果實際上很接近它自己的上升時間（700ps），而不是輸入信號的上升時間（接近500ps）。這說明，如果時序測量比較重要，就需要用更高帶寬的示波器才能滿足這一數字測量應用的要求。

我們可以進一步提高示波器的帶寬，圖4.6是換用1GHz帶寬的示波器MSO6104A之后，得到的信號的波形。在示波器中選擇上升時間測量后，得到的測量結果約為550ps。這一測量結果的精度約為10%，勉強可以讓人滿意，尤其在需要考慮示波器資金投入的情況下。但有時，即便是1GHz帶寬示波器得到的測量結果也可能被認為精度不夠。如果要求對這個邊沿速度在500ps的信號達到3%的邊沿速度測量精度，就需要更高帶寬的示波器。

如果進一步換用2GHz帶寬的示波器，測到的時鐘波形如圖4.7所示，我們現在看到的就是比較精確的時鐘信號，上升時間測量結果約為495ps。

總的來說，對模擬應用而言，對于高斯頻響的示波器，其帶寬應比被測的模擬信號最高頻率高2～3倍；對于平坦響應的示波器，其帶寬應比被測的模擬信號最高頻率高20%～50%。對數字應用而言，簡單地估算示波器帶寬至少應比被測設計的最快時鐘速率快5倍（保證基本的信號形狀），但在需要精確測量信號的邊沿或者時序時，則應根據信號的最快邊沿估算其信號帶寬并據此決定需要的示波器帶寬。