示波器的性能术语（上）

示波器的性能术语（上）

示波器是电子工程师的重要工具，用于观察和分析电信号。选择合适的示波器需要了解其关键性能指标。本文将详细介绍示波器的三个核心性能术语：带宽、上升时间和采样率，帮助读者更好地理解和使用示波器。

1. 带宽

带宽决定着示波器测量信号的基本能力。在信号频率提高时，示波器准确显示信号的能力会下降。这个指标表明了示波器能够准确测量的频率范围。

示波器带宽是指正弦曲线输入信号被衰减到信号真实幅度的频率，称为-3 dB点，这一术语基于对数标度，如图44所示。

如果没有充足的带宽，示波器将不能解析高频变化。幅度将失真，边沿将消失，细节将丢失。如果没有充足的带宽，示波器的所有功能和浮华都没有任何意义。

为确定准确检定特定应用中信号幅度所需的示波器带宽应采用“五倍法则”。

示波器带宽 > (信号的最高频率成分 x 5)

使用五倍法则选择的示波器将在测量中提供小于±2%的误差，这对当前应用一般足够了。但是，随着信号速度提高，这一经验法则可能实现不了。要记住，带宽越高，可能实现的信号复现精度就越高，如图45所示。

图45.带宽越高，信号复现精度越高

如图所示，这是250MHz、1 GHz和4 GHz三种带宽水平下捕获的信号。

某些示波器通过数字信号处理，提供了一种增强带宽的方法。可以使用DSP任意均衡滤波器，改善示波器通道响应。这个滤波器扩大了带宽，使示波器通道频响平坦化改善相位线性度，在通道之间实现更好的匹配程度。它还降低了上升时间，改善了时域阶跃响应。

2. 上升时间

在数字领域中，上升时间测量至关重要。在预计测量数字信号时，如脉冲和阶跃，上升时间可能是更适合的性能考虑因素。如图46所示，示波器必须有充足的上升时间，才能准确捕获迅速跳变的细节。

上升时间描述了示波器的实用频率范围。可以使用下面的公式，计算信号类型要求的示波器上升时间:

示波器上升时间 ≤ (信号最快的上升时间 x 1/5)

注意，这个选择示波器上升时间的依据与带宽选择依据类似。在带宽中，由于当前信号拥有超高速率，并不能一直实现这种经验法则。注意，示波器上升时间越快，捕获快速跳变关键细节的精度越高。

在某些应用中，您可能只知道信号的上升时间。有一个常数，可以把示波器的带宽和上升时间关联起来，公式如下:

带宽 = (K / 上升时间)

其中k是位于0.35和0.45之间的值，具体视示波器频响曲线形状和脉冲上升时间响应的形状而定。带宽<1GHz的示波器的k值一般为0.35，带宽>1GHz的示波器k值通常在0.40和0.45之间。某些逻辑家族本身产生的上升时间要快于其它逻辑家族如图47所示。

3. 采样率

采样率用样点/秒(S/s)表示，指数字示波器获得信号快照或样点的频度，与摄像机的帧数类似。示波器采样速度越快(即采样率越高)，分辨率及显示的波形细节越高，丢失关键信息或事件的可能性越小，如图48所示。当需要在较长的时间周期内观察缓慢变化的信号时，最低采样率可能也非常重要。一般来说，显示的采样率会随着水平标度控制所作的变化而变化，以在显示的波形记录中保持恒定数量的波形点。怎样计算采样率要求呢?计算方法视测量的波形类型及示波器使用的信号重建方法而有所不同。为准确地重建信号，避免假信号，内奎斯特定理指出，信号采样速度至少是其最高频率成分的两倍。然而，这一定理假设记录长度无穷大及连续信号。由于没有一台示波器能够提供无穷大的记录长度，根据定义，毛刺也不是连续的，所以采样率仅为最高频率成分的两倍通常是不够的。

图48.采样率越高，信号分辨率越好

在实践中，准确重建信号取决于采样率及填充样点间间隔使用的内插方法。某些示波器允许选择在测量正弦曲线信号时使用sin(x)/x内插，在测量方波、脉冲和其它信号类型时使用线性内插。为使用sin(x)/x内插准确地重建信号，示波器的采样率至少应该是信号最高频率成分的2.5倍。在使用线性内插时，采样率至少应该是最高频率信号成分的10倍。采样率在10 GS/s及带宽在3+GHz的某些测量系统已经进行优化，可以以五倍的带宽过采样，捕获非常快速的单次事件和瞬态事件。