示波器的频率响应及其对上升时间测量精度的影响

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    传统上，示波器的频率响应是高斯型的，是由许多具有类似频响的电路元件组合而成的，传统的模拟示波器就是这个样子，从它的BNC输入端至CRT显示，有很多模拟放大器构成一个放大器链注1。有关高斯频响示波器的特点，在行业内已经广为人知。

但鲜为人知的是当代高性能数字示波器所普遍采用的平坦频率响应。数字示波器中和高斯频响有关的只是很少的几个模拟放大器，并可用DSP技术优化其对精度的影响。对于数字示波器来说，还有一件重要事情是，要尽量避免采样混叠误差^注2，而模拟示波器是根本没有这种问题的。与高斯频响相比，平坦型频率响应能减少采样混叠误差，我们在这里首先回顾高斯响应和平坦响应的特性。然后讨论这两种响应类型所对应的上升时间测量精度。从而说明具有平坦频率响应的示波器与具有同样带宽的高斯响应示波器相比，有更高的上升时间测量精度。

我们的讨论以1GHz示波器为例。这里的分析结论完全适用于其它带宽。

高斯响应示波器的特性

1GHz 示波器的典型高斯频响如图1所示。高斯频率响应的优点是不管输入信号(被测信号)有多快，它都能给出没有过冲的较好脉冲响应(即示波器屏幕上显示的信号没有过冲)。图2示出1GHz高斯频响示波器对快沿阶跃信号的脉冲响应。

在高斯频响示波器中，示波器的上升时间^注3与示波器带宽^注4间有熟知的常用公式 ...

上升时间 = 0.35 / 带宽^注5 （高斯系统）

高斯系统的另一常用特性是它的系统总带宽^注6为各子系统带宽的RMS值，可使用下面熟悉的关系式计算 :

通常情况下，若示波器探头带宽比示波器带宽更高，系统带宽不会变得很差。

相反，被测上升时间通常与系统及信号上升时间有关 ，计算公式为 :

当示波器系统的上升时间并不比信号上升时间快很多时，则可用该关系式估算信号的实际上升时间。

图1对平坦响应和高斯响应作了比较。应注意它在-3dB前有更为平坦的频率响应，但在-3dB后迅速下降。这样的响应形状有时也称为最大平坦响应或砖墙响应。

平坦响应有两大优点。第一个优点是信号在 -3dB带宽之前的频响较 为平坦，即衰减较小，测量结果也较为精确。第二个优点是超过-3dB带宽后，频响曲线急剧滚降，大大减小数字示波器的中的采样混叠机会（后面有更详细得介绍）。

在时域，当有快沿阶跃信号输入时，平坦频率响应示波器会产生脉冲过冲和振铃，如图2所示。我们知道过冲和振铃是示波器的不良响应。但，这种情况，只有在信号上升时间很快，远远超过示波器可精确测量的能力范围时，才会产生。在这种情况下，应该使用更高带宽的示波器，否则测量误差会很大。

与高斯系统不同，平坦频响示波器的系统带宽不能由其子系统部件的RMS值确定。用于高斯响应示波器系统的带宽和上升时间公式不适用于平坦响应示波器系统！而需要示波器厂商提供示波器系统带宽，即由示波器∕探头及其前端附件构成得组合带宽。

在平坦响应示波器的情况下，上升时间与带宽的关系为：

上升时间 = N / 带宽 （这里 N=0.4 至 0.5）

N越大，说明频率响应越陡峭，或越像“砖墙”。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，平坦响应示波器的测量精度^注7远比高斯响应示波器更高。

例如，让我们使用这两种频率响应类型的示波器，比较对上升时间为700ps得信号的测量结果。由上升时间可确定该信号的最高频率，即 ：

信号最高频率 = 0.5 / 上升时间

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)^注8。

使用这一关系式，可得到上升时间为700ps的信号，其主要频率在714MHz以下。我们可从图1看到对于最高为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3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%。