示波器的帶寬對上升時間測量的影響

2021-01-12 電子產品世界

　　摘要：在示波器的日常使用中，小夥伴們使用最頻繁的功能應該是參數測量。現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、平均值等電壓信息，還可以統計上升沿次數、面積等其他要素。不過對於這些測量結果，準確度是否讓人信服?你又是如何認證的呢?

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　　在示波器的日常使用中，小夥伴們使用最頻繁的功能應該是參數測量。現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、平均值等電壓信息，還可以統計上升沿次數、面積等其他要素。不過對於這些測量結果，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，一環套一環。按常規理論：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)。

　　

 

　　圖1 上升時間的定義

　　

 

　　圖2 底部值的定義

　　為什麼要測量上升時間

　　在日常對待信號快慢的態度上，小夥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係，但在實際中，傅立葉告訴我們，實際的波形是基波和高次諧波混合的產物。因此，波形的高次諧波比重越大，其上升時間越短。與信號的頻率對比，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的，則足以引起信號的振鈴、反射、過衝等一系列問題。

　　

 

　　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「更高、更快、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的重要一環，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。對於200MHz的示波器，可得

　　Ttro=0.35/200MHz=0.35*5ns=1.75ns.

　　而對於上升時間為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的方法。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，應當小於其計算的上升時間(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的解析度一般為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，這相比於專業的頻率計，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?其實對於示波器來說，應該定義為定性觀察的工具，而不是定量測量的儀器，是在日常電路研發、調試中發現Bug的工具。在電壓測量測量中，示波器比萬用表優勝於能觀察波形;對於頻率測量，示波器比頻率計能觀看信號頻率的抖動。

　　目前的示波器發展越來越快，功能亦越來約大。目前周立功致遠電子新推出的ZDS2024 Plus而言，其支持250M點的超大儲存，支持20多種協議觸發與解碼。更令人驚奇的是，該解碼是支持全儲存深度的數據解碼，所有數據一覽無遺。若搭配上示波器的分段採樣與強大的搜索功能，ZDS2024 Plus馬上化身為一臺強大的協議分析儀。

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