【導(dǎo)讀】據(jù)統(tǒng)計，工程師們使用示波器最頻繁的功能是“參數(shù)測量”，但很多人并不知道示波器的帶寬會影響測試結(jié)果，今天我們就以上升時間的測量為例，分析它與示波器帶寬不可分割的關(guān)系 。
上升時間的定義
信號上升時間并不是信號從低電平上升到高電平所經(jīng)歷的時間，而是其中的一部分。按常規(guī)理解就是：信號的上升時間是正向沿的較低閾值交叉點(diǎn)與較高閾值交叉點(diǎn)之間的時差。顧名思義，上升時間肯定是在信號的上升沿時測量的，較低閾值、較高閾值的取值在某些示波器中是可以自定義的，默認(rèn)為 10%、90%幅值處。而幅值的定義，就是頂部值（Top）與底部值（Buttom）之差。頂部值，即波形較高部分的眾數(shù)（最普遍值）。
為什么要測量上升時間
上升時間對電路性能有著重要的影響，比如信號上升時間的減小，會引發(fā)反射、串?dāng)_、軌道塌陷、電磁輻射、地彈等問題。
對于數(shù)字電路，輸出的通常是方波信號。方波的上升邊沿非常陡峭，根據(jù)傅立葉分析，任何信號都可以分解成一系列不同頻率的正弦信號，如下圖所示，方波中包含了非常豐富的諧波成分。疊加的諧波成分越多，波形就越像方波，諧波分量越多，上升沿越陡峭。或從另一個角度說，如果信號的上升邊沿很陡峭，上升時間很短，那該信號的帶寬就很寬。
方波的傅里葉分析
帶寬的定義
示波器組織框架
帶寬是示波器主要指標(biāo)之一，它決定了示波器測試高頻信號的能力。主要由放大器等模擬器件決定的。對于放大器來說，其增益隨著信號的頻率增高會逐漸下降。一般把放大器增益下降-3dB對應(yīng)的頻點(diǎn)稱為這個放大器的帶寬，示波器的帶寬也是用同樣方法定義的。
帶寬圖解
帶寬對上升時間的影響
-3dB是按照信號的功率增益下降一半得出來的，大家都知道功率與電壓的平方成正比，故當(dāng)功率增益下降一半時，電壓隨著頻率增加降為原來的0.707倍。比如給一個500MHz帶寬的示波器輸入一個500MHz，峰峰值為1V的方波信號，此時測出的結(jié)果約為0.7V，所以示波器對測量信號的幅度上也會有衰減。
根據(jù)上升時間的定義，幅度的誤差必然會導(dǎo)致上升時間的出錯，從而引入了誤差。在日常使用中，對示波器測得的上升時間，必須考慮到示波器對其的影響。通常來說，可以根據(jù)示波器的帶寬，引入一個示波器自身上升時間的概念 Ttro，其定義為 Ttro=0.35/BW，BW 即為示波器的帶寬。對于 200MHz 的示波器，可得 Ttro=0.35/200MHz=0.35*5ns=1.75ns.而對于上升時間為 T 的信號來說，根據(jù)經(jīng)驗公式，可以得出測量的上升時間為：
Tmea = sqrt（Ttro2+ T2)
T 與 Tmea 的差距，就是測量的誤差了。
下面做個測試實驗，將一個100Mhz，邊沿為500ps的數(shù)字時鐘信號接入不同帶寬示波器進(jìn)行邊沿測試。
下圖為100M帶寬示波器得到的波形結(jié)果，此時信號已明顯變形，只顯示出一個100Mhz的正弦波。
100M示波器測試圖
下圖為500M帶寬示波器得到的波形結(jié)果，得到的上升時間約為750ps。此情況下示波器對信號上升時間的測量結(jié)果比較接近示波器自身的上升時間（700ps），而不是輸入信號的上升時間500ps。但此時示波器最高能捕獲到信號的5次諧波，若對數(shù)字測量要求不高的話，此時已滿足測試需求。
500M示波器測試圖
下圖為2G帶寬示波器得到的波形結(jié)果，得到的上升時間約為495ps。接近輸入信號的上升時間500ps?，F(xiàn)在可以看到比較精確的時鐘信號。但此時示波器成本投入也比較大。
2G示波器測試圖
總結(jié)
對模擬應(yīng)用測試，其示波器的帶寬應(yīng)比被測的模擬信號最高頻率高2～3倍即可；
對數(shù)字應(yīng)用測試，示波器帶寬至少應(yīng)比被測設(shè)計的最快時鐘速率快5倍，此時可保證基本的信號形狀，但在需要精確測量信號的邊沿或者時序的情況下，則應(yīng)根據(jù)信號的最快邊沿估算其信號帶寬并據(jù)此決定需要的示波器帶寬。
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