Picoscope示波器学习笔记一

带宽是大多工程师选择示波器时的首要考虑参数。

带宽定义为信号衰减3dB时的信号频率。

图1示波器幅频特性

大多数带宽在1GHz及以下的示波器通常会出现高斯响应，并在-3dB频率处表现出缓慢下降特征。带宽大于1GHz的示波器通常拥有最大平坦频率响应，通常在-3dB频率附近显示出具有更陡峭的下降特征，更为平坦的带内响应。

如何选择示波器的带宽

根据经验，示波器的带宽至少是被测试系统的最快数字时钟频率的5倍。如果所选的示波器达到这一标准，它就能以最小的信号衰减捕捉到被测信号的5次谐波。但是如果要对高速边沿信号进行精确测量，这个简单的公式并未考虑快速上升和下降沿中的实际最高频率成分。

经验法则:fBW≥5xfclk

（1）以上升沿情况选择带宽

确定示波器带宽的一个更准确的方法是根据数字信号中存在的最高频率，而不是最大时钟速率。数字信号的最高频率要看信号中最快的边沿速度是多少。因此，我们首先要确定最快的信号的上升和下降时间。

第一步：确定最快的边沿速度

所有快速边沿的频谱中都包含无限多的频率成分，但其中有一个拐点(或称“knee”)，这一频率为拐点频率fknee，高于该频率的频率成分对于确定信号的形状就无关紧要了。

第二步：计算fknee

fknee=0.5/信号上升时间(10%-90%)

或fknee=0.4/信号上升时间(20%-80%)

对于上升时间特性按照10%到90%阀值定义的信号而言，拐点频率fknee等于0.5除以信号的上升时间。对于上升时间特性按照20%到80%阀值定义的信号而言(如今的器件规范中通常采用这种定义方式)，拐点频率fknee等于0.4除以信号的上升时间。但注意不要把此处的信号上升时间与示波器的上升时间规格混淆了，我们这里所说的是实际的信号边沿速度。

第三步确定测量该信号所需的示波器带宽。

表一给出了对于具备高斯频响或最大平坦频响的示波器而言，在各种精度要求下需要的示波器带宽与fknee的关系。

表一

下面以一个简单的示例说明：通过近似高斯频率响应测量500ps上升时间(10-90%),确定示波器的最小必需带宽。

如果信号具有近似500ps的上升/下降时间(基于10%~90%标准)，那么信号中的最大实际频率分量(fknee)将大约等于1GHz,即

fknee=0.5/500ps=1GHz

根据表一，如果在对信号进行实际的上升时间和下降时间测量时，您能够容忍最多20%的计时误差，那么可以使用1GHz带宽示波器用于数字测量应用。但是如果需要3%左右的计时精度，则最好使用2GHz带宽的示波器，即

20%计时精度:示波器带宽=1.0x1GHz=1.0GHz

3%计时精度:示波器带宽=1.9x1GHz=1.9GHz

（2）以谐波情况选择示波器带宽

谐波是指除绝对的正弦波之外的周期波所含的其它一切频率分量。谐波频是基波频（正弦波）的整数倍。

要对波形进行精确的测量，对于非正弦波的波形，必须考虑其谐波。假如组成波形的主要谐波分量超出仪表的带宽，那么我们就不能精确地测得波形的参数。以下以方波为例，说明如何选择示波器的带宽：

方波是由基波与无数奇次谐波叠加所构成，包含的谐波越多，波形越近似方波。

方波的质量根据包含的谐波次数，其近似程度有所不同，如图二所示。

图2方波=基波+3次谐波+5次谐波+7次谐波+……+（2n+1）次谐波

图3不同带宽的示波器测同一方波

在实际测量中，在明确要测量的信号大致波形时，选择示波器的带宽可以参考以下表。比如需要测量的是方波信号，如果信号的频率为f，那么应该选择的示波器带宽应该≥9f，这样采集的信号才比较准确。

二、采样率

采样是指从连续信号到离散信号的过程。通过测量等时间间隔波形的电压幅值，再把它转化为8位二进制代码表示的数字信息，这就是数字存储示波器的采样。采样电压之间的时间间隔越小，那么重建的波形就越接近原始信号。此采样时间间隔即为采样率，单位是“次/秒”。比如1GS/s是指每秒采样1G次，即意味着每1000ps进行一次采样。

图4采样过程

根据Nyquist定律，采样率fs不得低于信号带宽fBW的2倍，即fs≥fBW，才能保证信号在恢复时不发生混叠现象。一般来说，采样率是带宽的4-5倍就可以比较准备地再现波形。

采集周期由采集工作时间和死区时间构成,如下图5所示。在采集工作