N越大,说明频率响应越陡峭。上面的关系式有时也包括在示波器指标中,从而给出示波器的响应类型。
测量精度
哪一种频率响应类型能提供最好的测量精度,需要考虑最大信号频率和示波器的采样混叠误差。
信号最高频率
在图1 的例子中,与高斯响应相比,平坦频率响应在-3dB带宽(1GHz)前衰减较小。因而对在 -3dB 带宽之内的信号频率成分,平坦响应示波器远比高斯响应示波器测量精度高。例如,让我们使用这两种频率响应类型的示波器,比较上升时间为700ps的数字信号的测量结果。由上升时间可确定该信号的最高频率,即 :
信号最高频率的定义为:任何一种测量系统(也包括示波器在内)能精确复现信号,所对应的最高频率(当然包括最高频率已内的频率成份)。
使用这一关系式,可得到上升时间为700ps的信号,它主要频率在714MHz以下。我们从图1看出对于最高为714MHz的频率,平坦响应示波器比高斯响应示波器有更小的衰减,因而能更精确地测量700ps跳变沿的上升时间,如图2所示。平坦频响示波器测量该上升时间的误差为3%,而高斯频响示波器则达到9%。
若被测信号上升时间减小特别快(即更快的跳变沿),高斯响应示波器反而会超过平坦响应示波器的上升时间测量精度。这是因为随着信号上升时间减小(即跳变沿更快), 信号-3dB 以上频率成分不断增加,此时平坦响应示波器的幅度响应将低于高斯响应示波器。
图3是我们例子中所使用的两种示波器对各种不同上升时间的信号的测量误差。可以看到在高斯响应示波器测量精度超过平坦响应示波器交界处,上升时间测量误差已经达到15%。因此,对于信号上升时间的精确(< 15%)测量,在同样带宽时,平坦响应示波器远优于高斯响应示波器 。这与一般认为“对于理想(快)阶跃信号输入,高斯响应示波器比平坦响应示波器有更快的上升时间”不符。应记住示波器上升时间指标本身并不完全说明被测上升时间有多精确,必须同时考虑示波器的频率响应类型。
采样混叠误差
数字示波器使用两种基本采样方法:重复采样和实时采样。重复采样示波器是将多次采集的样点构建成一个波形,不易产生采样混叠误差。实时采样示波器往往是一次采集捕获所有的信号信息,或一旦有感兴趣的信号就采集,否则一直等待。这里的讨论主要针对更常见的实时采样示波器,它比重复采样示波器有更多的优点。
数字实时示波器要精确测量信号,该信号必须没有过多NyQuist频率之上的频率成分,NyQuist频率等于采样频率的一半。在频域中,高于NyQuist频率的频率成分将折合到低于NyQuist频率。在时域,这一误差以具有“颤动”跳变沿的脉冲响应出现,在不一致的上升时间和时间差测量中,会产生“颤动”的跳变沿。
对于图1中采样率为4GHz的例子,NyQuist频率为2GHz。高斯响应示波器允许采样2GHz以上的频率成份,这些频率成份会对信号造成采样混叠误差。但平坦响应示波器衰减了2GHz以上的所有频率成份,因此不存在采样混叠误差。
为在没有采样混叠误差的情况下精确测量信号,示波器必须有足够的采样率。对于高斯响应示波器,采样率通常需要4倍于示波器带宽,甚至是6倍于示波器带宽。而平坦响应示波器有陡峭的滤波器,因此2.5倍于示波器带宽的采样率就能避免混叠误差。
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