在本文中，我們將研究數(shù)字示波器的兩個重要規(guī)格：模擬帶寬和采樣率。我們將看到，示波器模擬帶寬決定了我們是否可以準確地測量給定頻率的信號。此外，我們將討論需要足夠高的采樣率以避免混疊，混疊也會降低測量精度。

示波器的簡化框圖

圖1顯示了數(shù)字示波器的簡化框圖。

圖1

圖1.圖片由泰克提供。

模擬前端衰減/放大輸入信號，并充當A / D轉(zhuǎn)換器(ADC)的抗混疊濾波器。 ADC會以固定的采樣率fs對已調(diào)節(jié)的輸入信號進行采樣，并將數(shù)字化后的采樣傳遞到觸發(fā)系統(tǒng)。觸發(fā)系統(tǒng)的主要目的是提供穩(wěn)定的波形顯示。它確定應在屏幕上顯示哪些采樣信號。這些采樣信號將存儲在內(nèi)存中并在顯示在屏幕上之前進行處理。

示波器模擬帶寬

模擬前端由諸如增益控制電路，緩沖器和ADC驅(qū)動器之類的模塊組成。這些模塊顯示出低通頻率響應。傳遞函數(shù)的幅度衰減3 dB的頻率被認為是示波器的模擬帶寬fBW。如圖2所示。

圖2

具有fBW模擬帶寬的示波器可以處理哪個頻率范圍？

為了回答這個問題，我們注意到我們的測量設備不應在待測信號中引起不良的變化。例如，我們不應該使用上述示波器來測量頻率為fBW的正弦波，因為這樣的信號在通過低通濾波器時會被衰減3 dB。在這種情況下，示波器將數(shù)字化并顯示不需要的衰減版本。因此，衰減最小的頻率范圍是示波器的有用帶寬。

測量模擬信號

只要我們保持在示波器帶寬的約三分之一(fBW/3)以下時，我們可以假定范圍傳遞函數(shù)的衰減可以忽略不計。因此，在測量模擬信號時，應確保最大信號頻率小于fBW/3以下，該經(jīng)驗法則基于以下假設：示波器頻率響應在傳遞函數(shù)的通帶中幾乎是平坦的。

對于某些低成本的示波器，尤其是小公司制造的示波器，頻率響應可能不平坦。如果不確定示波器的頻率行為，可以通過應用掃頻正弦波并檢查顯示波形的幅度來對其進行測量。

測量數(shù)字信號

如何測量數(shù)字波形？具有模擬帶寬fBW的示波器可以測量的最大時鐘頻率是多少？我們知道數(shù)字波形的頻率內(nèi)容取決于其上升/下降時間。對于上升時間為Tr的信號，我們可以定義以下等效帶寬如下：

在此等式中，Tr是數(shù)字信號的10-90％上升時間。 例如，對于Tr = 0.5 ns的時鐘信號，等效帶寬將為700 MHz。 這意味著該波形的最高有效頻率分量低于約700 MHz。

我們假設示波器的傳遞函數(shù)在fBW/3以內(nèi)的衰減可以忽略不計，因此，數(shù)字波形的最高有效頻率分量應小于fBW/3：

因此我們有：

例如，用于測量Tr = 500 ps的數(shù)字信號的示波器帶寬約為fBW = 2.1 GHz。 是德科技應用筆記中更詳細地討論了為特定測量選擇正確的示波器帶寬的主題。 我們在這里得出的方程與應用筆記給出的方程非常接近，該方程使用高斯響應示波器進行了3％的精確測量，方程如下：

是德科技(Keysight)應用筆記針對不同情況提供了稍有不同的公式，但是您可以使用這些公式作為簡化的通用公式來評估測量數(shù)字信號時的示波器帶寬的要求。

示波器帶寬過大的缺點

示波器帶寬應足夠高以進行準確的測量，但是此參數(shù)是否有上限？示波器帶寬過大是否會以某種方式降低我們的測量精度？請注意，示波器帶寬設置了進入示波器的噪聲的帶寬。

例如，考慮測量33 MHz正弦波。基于以上討論，我們可以使用帶寬約為100 MHz的示波器來測量該信號。如果我們使用8 GHz示波器進行此測量，則位于100 MHz至8 GHz范圍內(nèi)的所有噪聲成分都將進入示波器。這些噪聲成分會使軌跡在屏幕上看起來有點模糊。

在許多情況下這可能不是一個嚴重的問題，但是如果您希望產(chǎn)品通過嚴格的性能或合規(guī)性規(guī)范，則必須注意這些細節(jié)并提供產(chǎn)品輸出的最佳表示。

采樣速率

在模擬前端對輸入信號進行調(diào)節(jié)后，將其傳遞到A / D轉(zhuǎn)換器。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，ADC fs的采樣率必須至少是相關最高頻率分量的兩倍。這意味著我們需要一個抗混疊濾波器來限制ADC輸入端信號的帶寬。在圖1中，抗混疊濾波是通過模擬前端的低通特性實現(xiàn)的。

盡管此濾波器抑制了高頻成分，但我們沒有磚墻式的低通特性。當我們移到更高的頻率時，幅度衰減會增加，但并沒有無限的衰減。假設我們選擇采樣頻率fs，如圖3所示。

低通濾波器的特性

由于我們在fs處的衰減有限，因此在此頻率下出現(xiàn)的任何噪聲分量都只會被低通特性部分抑制。 換句話說，ADC輸入端的信號帶寬并沒有受到真正的限制，我們在上面可能仍然有相對較大的頻率分量

fs/2(違反奈奎斯特標準)。

那么這將如何影響我們的測量精度？

采樣過程將創(chuàng)建采樣頻率倍數(shù)處的頻譜副本。 在0到fs的頻率范圍內(nèi)，我們將得到如圖4所示的頻譜。

圖4

雖然藍色曲線是我們希望在數(shù)字化儀的輸出端得到的頻譜，但采樣過程會創(chuàng)建原始頻譜(由紅色曲線表示)的多余副本。 藍色和紅色曲線上的分量的疊加為我們提供了ADC輸出處數(shù)字信號的頻譜。

圖4顯示，部分復制頻譜與我們所需的頻帶重疊，該頻帶位于0到fBW的范圍內(nèi)。 這個期望的頻帶應該由A / D轉(zhuǎn)換器后面的數(shù)字電路提取和處理。 我們?nèi)绾翁崛∷璧念l段？

清晰的數(shù)字濾波器可有效抑制從fBW到fs-fBW的頻率分量(見圖5)。 消除該不想要的頻帶可以提高數(shù)字電路的效率。

圖5

從0到fBW范圍內(nèi)顯示的副本頻譜部分呢？

通過在ADC的輸出端放置一個濾波器，無法抑制這些頻率分量。如圖4所示，這些不希望有的分量從原始頻譜中位于fs-fBW到fs范圍內(nèi)的部分折回。因此，我們可以通過增加采樣率(對于給定的fBW)來抑制這些混疊分量。這樣，混疊分量將經(jīng)歷的最小疊加。

查看圖4.折回組件的最小可接受衰減是多少？

衰減應足夠大，以使混疊分量遠低于A / D轉(zhuǎn)換器的量化水平。在實踐中，對于高斯頻率響應示波器，我們通常需要將實時采樣率設為示波器帶寬的4-5倍。具有最大平坦頻率響應的示波器具有更陡峭的滾降。結(jié)果，這種示波器帶寬的大約2.5倍的采樣率導致可接受的精度。

如果混疊明顯，又將如何影響顯示的軌跡？

圖6顯示了示波器帶寬和采樣率分別為500 MHz和1 GSa / s時的測量結(jié)果。

圖6

如您所見，進行重復測量時，跡線會在信號邊緣附近擺動。這是由于以下事實：具有更陡峭過渡的波形部分包含了較高的頻率分量，并且混疊在這些區(qū)域中將會變得更加明顯。

結(jié)論

在本文中，我們研究了數(shù)字示波器的兩個重要規(guī)格：模擬帶寬和采樣率。我們看到，對于模擬信號，最大信號頻率應小于示波器帶寬的約三分之一(fBW/3)。為了測量數(shù)字信號，我們可以將數(shù)字波形的最高有效頻率分量限制為小于示波器帶寬的約三分之一(fBW/3)

此外，我們討論了需要足夠高的采樣率以避免混疊。

使用高斯頻率響應示波器時，我們通常需要將實時采樣率設為示波器帶寬的4-5倍。具有最大平坦頻率響應的示波器具有更陡峭的滾降，并且大約是示波器帶寬的2.5倍的采樣率就足夠了。

總結(jié)

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