【導讀】據統計，工程師們使用示波器最頻繁的功能是“參數測量”，但很多人并不知道示波器的帶寬會(huì )影響測試結果，今天我們就以上升時(shí)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(shí)間的定義
信號上升時(shí)間并不是信號從低電平上升到高電平所經(jīng)歷的時(shí)間，而是其中的一部分。按常規理解就是：信號的上升時(shí)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(shí)差。顧名思義，上升時(shí)間肯定是在信號的上升沿時(shí)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（最普遍值）。
為什么要測量上升時(shí)間
上升時(shí)間對電路性能有著(zhù)重要的影響，比如信號上升時(shí)間的減小，會(huì )引發(fā)反射、串擾、軌道塌陷、電磁輻射、地彈等問(wèn)題。
對于數字電路，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?；驈牧硪粋€(gè)角度說(shuō)，如果信號的上升邊沿很陡峭，上升時(shí)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(lái)說(shuō)，其增益隨著(zhù)信號的頻率增高會(huì )逐漸下降。一般把放大器增益下降-3dB對應的頻點(diǎn)稱(chēng)為這個(gè)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(shí)間的影響
-3dB是按照信號的功率增益下降一半得出來(lái)的，大家都知道功率與電壓的平方成正比，故當功率增益下降一半時(shí)，電壓隨著(zhù)頻率增加降為原來(lái)的0.707倍。比如給一個(gè)500MHz帶寬的示波器輸入一個(gè)500MHz，峰峰值為1V的方波信號，此時(shí)測出的結果約為0.7V，所以示波器對測量信號的幅度上也會(huì )有衰減。
根據上升時(shí)間的定義，幅度的誤差必然會(huì )導致上升時(shí)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(shí)間，必須考慮到示波器對其的影響。通常來(lái)說(shuō)，可以根據示波器的帶寬，引入一個(gè)示波器自身上升時(shí)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(shí)間為 T 的信號來(lái)說(shuō)，根據經(jīng)驗公式，可以得出測量的上升時(shí)間為：
Tmea = sqrt（Ttro2+ T2)
T 與 Tmea 的差距，就是測量的誤差了。
下面做個(gè)測試實(shí)驗，將一個(gè)100Mhz，邊沿為500ps的數字時(shí)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果，此時(shí)信號已明顯變形，只顯示出一個(gè)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果，得到的上升時(shí)間約為750ps。此情況下示波器對信號上升時(shí)間的測量結果比較接近示波器自身的上升時(shí)間（700ps），而不是輸入信號的上升時(shí)間500ps。但此時(shí)示波器最高能捕獲到信號的5次諧波，若對數字測量要求不高的話(huà)，此時(shí)已滿(mǎn)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果，得到的上升時(shí)間約為495ps。接近輸入信號的上升時(shí)間500ps?，F在可以看到比較精確的時(shí)鐘信號。但此時(shí)示波器成本投入也比較大。
2G示波器測試圖
總結
對模擬應用測試，其示波器的帶寬應比被測的模擬信號最高頻率高2～3倍即可；
對數字應用測試，示波器帶寬至少應比被測設計的最快時(shí)鐘速率快5倍，此時(shí)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(shí)序的情況下，則應根據信號的最快邊沿估算其信號帶寬并據此決定需要的示波器帶寬。
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