上升時間測量與示波器帶寬的兩三事

        簡介：在示波器的日常使用中，小伙伴們使用最頻繁的功能應該是參數測量，信號的頻率、脈寬、幅度、均值等信息都可一覽無遺。但這些測量結果是否存在誤差?是否能讓人信服呢?

　　在示波器的日常使用中，小伙伴們使用最頻繁的功能應該是參數測量?，F在的示波器參數測量功能很強大，既可以測量頻率、脈寬等時間信息，也可以測量幅度、均值等電壓信息，還可以統(tǒng)計上升沿次數、面積等其他要素。不過對于這些測量結果，準確度是否讓人信服?本文就以上升時間的測量誤差為例，突出示波器在測量中的注意事項。

　　上升時間的定義

　　上升時間是信號上升快慢的數值，那其準確的內涵該是如何定義了?說來話長，因為定義是比較嚴謹的，一環(huán)套一環(huán)。按常規(guī)理論：信號的上升時間是正向沿的較低閾值交叉點與較高閾值交叉點之間的時差。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、較高閾值的設定值在某些示波器中是可以自定義的，默認為10%、90%幅值處。而幅值的定義，就是頂部值(Top)與底部值(Bottom)之差。頂部值，即波形較高部分的眾數(最普遍值)。

　　圖1 上升時間的定義

　　圖2 頂部值、底部值的定義

　　為什么要測量上升時間

　　在日常對待信號快慢的態(tài)度上，小伙伴們一般只關心信號的頻率，而不關心信號的上升時間。兔子是跑得快，但跑得慢的不一定是烏龜。在標準的正弦波中，上升時間與頻率是純潔的數學關系，但在實際中，從傅里葉級數可知，實際的波形是基波和高次諧波混合的產物。因此，波形高次諧波的比重越大，其上升時間就越短。與信號的頻率相比，上升時間更能代表信號的快慢。所以不要小看低頻的信號，只要它的上升沿是在瞬間爆發(fā)的，則足以引起信號的振鈴、反射、過沖等一系列問題。

　　圖3 波形本質的圖解

　　示波器帶寬的內涵

　　奧林匹克的口號是“更快、更高、更強”，在示波器上的“更快”，則是對帶寬的要求。示波器中的模擬通道，簡化來看就是個低通濾波器。它對頻率越高的信號，衰減就越嚴重。一般會把信號功率衰減了-3dB時的頻率，定義為示波器的帶寬。當然，目前示波器的模擬技術發(fā)展神速，在示波器標定的帶寬頻率點時，會有一定的裕量，所以在示波器的帶寬頻率點，幅度的衰減是-3dB以內的。特別說明的是，探頭也是組成測量系統(tǒng)的重要一環(huán)，若測試中使用到探頭，則必須考慮探頭對帶寬的影響。

　　圖4 帶寬的圖解

　　帶寬對上升時間的影響

　　如上文所言，示波器對測量信號的幅度上有衰減。根據上升時間的定義，幅度的誤差必然會導致上升時間的出錯，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，根據經驗公式，可以得出測量的上升時間為Tmea = sqrt(Ttro^2+ T^2)。T與Tmea的差距，就是測量的誤差了。根據經驗公式，測量的上升時間還可以評價示波器帶寬是否滿足其標定帶寬。給示波器輸入一個上升沿極快的信號，其上升時間為ps級別的。這樣在公式中T是可以忽略不計的，公式中起作用的為示波器自身的Ttro。此時示波器的測量值，應當小于其計算的上升時間(因為示波器的帶寬是留有裕量的)。

　　綜述

　　示波器測量上升時間有誤差，那對電壓的測量呢?示波器內的ADC的分辨率一般為8Bit(目前有廠家提升到10bit、12bit)，其增益準確度與偏移準確度約在±2%左右。在測量直流電壓的準確度上，其還不如一個3位半的手持萬用表。在測量時間精度上，示波器時基的誤差約在0.5ppm至30ppm之間，即在十萬分之3以內，這相比于專業(yè)的頻率計，誤差還是挺大了。既然示波器測量值都比其他儀器差，那示波器的價值何在?其實對于示波器來說，應該視為定性觀察的工具，是在日常電路研發(fā)、調試中發(fā)現Bug的好幫手，而不是定量測量的儀器。在電壓測量測量中，示波器比萬用表優(yōu)勝于能觀察波形;而對于頻率測量，示波器比頻率計更能觀看信號頻率的抖動。