2．示波器带宽对测量的影响

示波器的带宽指的是示波器可以测量的幅度误差不超过-3dB的正弦波的频率值，也就是示波器可以测量的频率上限。超过示波器带宽的信号输入示波器，这个信号就被过度衰减，再现波形也就失真过度了。对于数字信号来说，经验告诉我们，示波器的带宽至少应比被测系统最快的数字时钟速率高5倍。如果我们选择的示波器满足这一标准，该示波器就能以最小的信号衰减捕捉到被测信号的5次谐波。信号的5次谐波在确定数字信号的整体形状方面非常重要。

但如果需要对高速边沿进行精确测量，那么这个简单的经验公式并未考虑到快速上升和下降沿中包含的实际高频成分。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（参考资料：High-Speed Digital Design:A Handbook of Black Magic, Howard Johnson and Martin Graham, Prentice Hall,1993），高于该频率的频率成分对于确定信号的形状影响很小。具备最大平坦频响的示波器比具备高斯频响的示波器对带内信号的衰减较小，也就是说前者对带内信号的测量更精确。但具备高斯频响的示波器比具备最大平坦频响的示波器对带外信号的衰减小，也就是说在同样的带宽规格下，具备高斯频响的示波器通常具备更快的上升时间。

与示波器带宽规格紧密相关的是其上升时间参数。具备高斯频响的示波器，按照10%～90%的标准衡量，上升时间约为0.35/BW；具备最大平坦频响的示波器上升时间规格一般为0.4/BW～0.45/BW，随示波器频率滚降特性不同而有所差异。但示波器的上升时间并非示波器能精确测量的最快的边缘速度，而是当输入信号具备理论上无限快的上升时间（0ps）时，示波器能够得到的最快边沿速度。这种理论参数不可能测得到，因为脉冲发生器不可能输出边沿无限快的脉冲，实际使用中可以通过一个上升时间比示波器本身可能的上升时间快3～5倍的快沿信号，测量示波器的上升时间。

图4.4给出了利用一台带宽为100MHz的示波器MSO6014A测量一个边沿速度为500ps（10%～90%）的100MHz数字时钟信号得到的波形结果。可以看出，该示波器只能通过该时钟信号的100MHz基本频率成分，因此，时钟信号显示出来大约是正弦波的形状，这时信号已经明显变形，说明100MHz的带宽对于这里测量的100MHz的方波时钟信号就明显不够了。

接下来提高示波器带宽，图4.5给出了利用500MHz带宽的示波器MSO6054A测量同一信号的结果。可以看出，该示波器最高能捕捉到信号的5次谐波，恰好满足传统计算方法给出的建议。但在测量上升时间时发现，用这台示波器测量得到的上升时间约为750ps。在这种情况下，示波器对信号上升时间的测量就不是非常准确，它得到的测量结果实际上很接近它自己的上升时间（700ps），而不是输入信号的上升时间（接近500ps）。这说明，如果时序测量比较重要，就需要用更高带宽的示波器才能满足这一数字测量应用的要求。

图4.4 100MHz带宽的示波器对上升时间为500ps的100MHz时钟的测量结果

图4.5 500MHz带宽的示波器对上升时间为500ps的100MHz时钟的测量结果

我们可以进一步提高示波器的带宽，图4.6是换用1GHz带宽的示波器MSO6104A之后，得到的信号的波形。在示波器中选择上升时间测量后，得到的测量结果约为550ps。这一测量结果的精度约为10%，勉强可以让人满意，尤其在需要考虑示波器资金投入的情况下。但有时，即便是1GHz带宽示波器得到的测量结果也可能被认为精度不够。如果要求对这个边沿速度在500ps的信号达到3%的边沿速度测量精度，就需要更高带宽的示波器。

如果进一步换用2GHz带宽的示波器，测到的时钟波形如图4.7所示，我们现在看到的就是比较精确的时钟信号，上升时间测量结果约为495ps。

总的来说，对模拟应用而言，对于高斯频响的示波器，其带宽应比被测的模拟信号最高频率高2～3倍；对于平坦响应的示波器，其带宽应比被测的模拟信号最高频率高20%～50%。对数字应用而言，简单地估算示波器带宽至少应比被测设计的最快时钟速率快5倍（保证基本的信号形状），但在需要精确测量信号的边沿或者时序时，则应根据信号的最快边沿估算其信号带宽并据此决定需要的示波器带宽。

图4.6 1GHz带宽的示波器对上升时间为500ps的100MHz时钟的测量结果

图4.7 2GHz带宽的示波器对上升时间为500ps的100MHz时钟的测量结果