引言
传统上示波器的频率响应是高斯型的,从它的BNC输入端至CRT显示,有很多模拟放大器构成一个放大器链。
但当代高性能数字示波器普遍采用平坦频率响应。数字示波器中和高斯频响有关的只是很少的几个模拟放大器,并可用DSP技术优化其对精度的影响。对于数字示波器来说,要尽量避免采样混叠误差 ,而模拟示波器不存在这种问题。与高斯频响相比,平坦型频率响应能减少采样混叠误差。本文首先回顾高斯响应和平坦响应的特性,然后讨论这两种响应类型所对应的上升时间测量精度,从而说明具有平坦频率响应的示波器与具有同样带宽的高斯响应示波器相比,有更高的上升时间测量精度。
我们的讨论以1GHz示波器为例。这里的分析结论完全适用于其它带宽。
高斯响应示波器的特性
1GHz 示波器的典型高斯频响如图1所示。高斯频率响应的优点是不管输入信号(被测信号)有多快,它都能给出没有过冲的较好脉冲响应(即示波器屏幕上显示的信号没有过冲)。
在高斯频响示波器中,示波器的上升时间与示波器带宽间有熟知的常用公式 :
上升时间 =0.35/带宽(高斯系统)
高斯系统的另一常用特性是它的系统带宽为各子系统带宽的RMS值,可使用下面熟悉的关系式计算 :
系统带宽= 1/(1/BW2探头2+1/BW2示波器2)0.5 (高斯系统)
通常情况下,即使示波器探头带宽比示波器带宽更高,由上述公式计算出来的系统带宽也不会变得很差。
相反,被测上升时间通常与系统及信号上升时间有关 ,计算公式为 :
被测上升时间=(RT2信号2+ RT2系统2)0.5(高斯系统)
当示波器系统的上升时间并不比信号上升时间快很多时示波器的精度,则可用该关系式估算信号的实际上升时间。
图2 脉冲响应精度
图3 1GHz 带宽示波器的上升时间测量精度
确定需要的带宽
为估算进行正确测量所需要的示波器带宽,请参看表1中提供的信息。一步是根据信号上升时间8确定信号较高频率(Fmax)。然后根据要求的测量精度,用信号较高频率(Fmax)乘以一个相应系数,以确定所需要的示波器带宽。较后是确保示波器有充足的采样率,从而能实现没有采样混叠误差的要求带宽。
例如,为用平坦响应示波器以10% 的精度测量上升时间为100ps(20% ~ 80%)的信号,需要的带宽为(0.4 / 100ps )×1.2 = 4.8GHz,最小采样率为4.8GHz×2.5 = 12GSa/s。若测量精度要求为3%示波器的精度, 需要的带宽则为
(0.4 / 100ps )×1.4 = 5.6GHz,最小采样率为5.6GHz×2.5 = 14GSa/s。
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