理解示波器的頻率響應及其對上升時間測量精度的影響

使用這一關系式，可得到上升時間為700ps的信號，其主要頻率在714MHz以下。我們可從圖1看到對于最高為714MHz的頻率，平坦響應示波器比高斯響應示波器有更小的衰減，因而能更精確地測量700ps跳變沿的上升時間，如圖3所示。平坦頻響示波器測量該上升時間的誤差為3%，而高斯頻響示波器則達到9%。

若被測信號上升時間特別快（即更快的跳變沿），高斯響應示波器最終反而將超過平坦響應示波器的上升時間測量精度。這是因為隨著信號上升時間減小(即跳變沿更快)， -3dB 以上頻率成分增加，此時平坦響應示波器的幅度響應將低于高斯響應示波器。

圖4是用我們例子中所使用的兩種示波器，對各種不同上升時間的信號的測量誤差。應注意在高斯響應示波器測量精度超過平坦響應示波器交界處，上升時間測量誤差已經(jīng)達到15%。因此，對于信號上升時間的精確（< 15%）測量，在同樣帶寬時，平坦響應示波器遠優(yōu)于高斯響應示波器。這與一般認為對于理想（快）階躍信號輸入，高斯響應示波器比平坦響應示波器有更快的上升時間這一直覺不符。應記住示波器上升時間指標本身并不完全說明被測上升時間有多精確，必須同時考慮示波器的頻率響應類型。

采樣混疊誤差

數(shù)字示波器使用兩種基本采樣方法：重復采樣和實時采樣。重復采樣示波器的應用場合是針對重復信號的，將多次采集的樣點構建成一個波形，不易產(chǎn)生采樣混疊誤差。實時采樣示波器往往是一次采集捕獲所有的信號信息，或一旦有您感興趣的信號，就采集，否則一直等待。這里的討論主要針對更常見的實時采樣示波器，它比重復采樣示波器有更多的優(yōu)點。

數(shù)字實時示波器要精確測量信號，信號必須沒有過多NyQuist頻率之上的頻率成分，NyQuist頻率等于采樣頻率的一半。在頻域中，高于NyQuist頻率的頻率成分將折合到低于NyQuist頻率。在時域，這一誤差以具有“顫動”跳變沿的脈沖響應出現(xiàn)，如圖5所示。在不一致的上升時間和時間差測量中，會產(chǎn)生“顫動”的跳變沿。

對于圖1中采樣率為4GHz注9的例子，NyQuist頻率為2GHz。高斯響應示波器允許采樣2GHz以上的頻率成分，這些頻率成分會對信號造成采樣混疊誤差。但平坦響應示波器衰減了2GHz以上的所有頻率成分，因此不存在采樣混疊誤差。

為精確測量信號，沒有采樣混疊誤差，示波器必須有足夠的采樣率。對于高斯響應示波器，采樣率通常需要4倍于示波器帶寬，甚至是6倍于示波器帶寬。而平坦響應示波器有陡峭的濾波器，因此2.5倍于示波器帶寬的采樣率就能避免混疊誤差。

確定需要多高的帶寬

為估算進行精確測量所需要的示波器帶寬，請參看表1中提供的信息。第一步是根據(jù)信號上升時間注10確定信號最高頻率（Fmax）。然后根據(jù)要求的測量精度，用信號最高頻率（Fmax）乘以一個相應系數(shù)，以確定所需要的示波器帶寬。最后是確保示波器有充足的采樣率，從而能實現(xiàn)沒有采樣混疊誤差的要求帶寬。

例如，為用平坦響應示波器以10% 的精度測量上升時間為100ps（20% ~ 80%）的信號，需要的帶寬為（0.4 / 100ps ）×1.2 = 4.8GHz，最小采樣率為4.8GHz×2.5 = 12GSa/s。若測量精度要求為3%, 需要的帶寬則為(0.4 / 100ps)×1.4 = 5.6GHz，最小采樣率為5.6GHz×2.5 = 14GSa/s。

這方法僅用于估算所需帶寬。各種示波器有不同的頻率響應，必須通過測量仔細驗證上升時間的實際精度。

總結(jié)

對于數(shù)字信號上升時間的精確測量（誤差 < 15%），平坦響應示波器有比相同帶寬高斯響應示波器更好的測量精度。平坦響應示波器的另一好處是它通常帶有磚墻濾波器，從而能減小或防止采樣混疊誤差。

需要多高帶寬的示波器主要由信號上升時間決定，而不是由信號頻率確定。為進行精確測量，所選示波器的頻率響應應覆蓋被測信號最高頻率（由公式0.5?上升時間（10% ~ 90%）確定）。對于現(xiàn)代平坦響應示波器來說，一般只要示波器帶寬達到最高信號頻率的1.4倍，就能進行精確的上升時間測量。