示波器基本原理之一：带宽示波器最重要的单一特性，即带宽在频域中提供范围指示。 带宽是许多工程师在选择示波器时首先考虑的技术指标。 带宽以Hz测量，根据频率确定信号范围，可以进行正确的显示和测试。 如果带宽不足，示波器将无法显示实际信号的准确表示。 例如，信号的幅度可能不准确，边缘可能不均匀，并且波形的细节可能丢失。
如图1. 示波器带宽的定义图1所示，所有示波器均可见高频下低通频率的响应衰减。 许多带宽技术指标在1 GHz以下的示波器上通常表现出勤的紫菜响应，-3 dB频率的三分之一表现出缓慢的下降特征。 如图2所示，带宽技术指标大于1 GHz的示波器通常具有最大平坦频率响应。 这种响应通常在-3 dB频率附近具有更尖锐的降低特性，并且呈现出更平坦的带内响应。
图1 -示波器勤奋紫菜的频率响应
图2 -示波器的最大平坦度频率响应
示波器的频率响应各有优缺点。 具有最大平坦度响应的示波器带内信号衰减量比具有勤奋紫菜响应的示波器少，表明前者能更准确地测量带内信号。 具有勤奋紫菜响应的示波器带外信号衰减量比具有最大平坦度响应的示波器小，表明在相同带宽技术指标下，具有勤奋紫菜响应的示波器具有更快的上升时间。 在某些情况下，较高的带外信号衰减可能会消除导致采样混叠的高频分量，从而达到Nyquist标准(fS 2 x fMAX )。
输入信号衰减3 dB的最低频率称为示波器带宽，尽管示波器具有勤奋的紫菜响应、最大平坦度响应或其中间响应。 用正弦波信号发生器在扫描频率下测试示波器的带宽和频率响应。 信号-3 dB频率下的衰减约为-30%的振幅误差。 因此，如果信号的主要频率接近示波器的带宽，则非常难以准确地测量信号。
与示波器带宽技术指标关系最大的是示波器上升时间技术指标。 示波器对勤奋紫菜型响应时，按10 %~90 %标准，其上升时间约为0.35/fBW。 对于具有最大平坦度响应的示波器，其上升时间的技术指标范围通常为0.4/fBW左右，取决于频率下降特性的尖锐性。 请注意，示波器的上升时间不是示波器能够准确测量的最快边缘速度。 假设输入信号在理论上具有无限快的上升时间(0 ps )，示波器的上升时间是示波器可能出现的最快边缘速度。 这个理论上的技术指标是不可测量的，这是因为脉冲发生器实际上不能生成无限快的边缘，但是通过输入边缘速度比示波器的上升时间技术指标快3倍到5倍的脉冲信号，可以测量示波器的上升时间。
2. 数字应用需要的带宽根据以往的经验，示波器的带宽必须至少比被测系统的最快数字时钟速度快5倍。 如果示波器满足该基准，则能够捕捉到5次为止的高次谐波，实现最小的信号衰减。 该信号分量在确定数字信号的整体波形方面非常重要。 但是，在需要准确测量高速边缘时，该公式不考虑高速上升沿和下降沿中嵌入的实际最高频率分量。
确定所需示波器带宽的更准确方法是确定数字信号中出现的最高频率，而不是最大时钟速度。 最高频率由设计中的最快边缘速度决定。 因此，首先要做的是确定最快信号的上升时间和下降时间。 该信息通常可以从设计中使用的设备的公开技术指标中得到。
使用第一步： 确定最快的边沿速度简单公式计算最大的“实际”频率分量。 Howard W. Johnson博士就这个主题写了本《High-speed Digital Design A Handbook of Black Magic》。 他将该频率成分称为“拐点”频率(fknee )。 所有高速边缘都有无限的频率分量。 然而，高速边缘的频谱具有弯曲点(或“拐点”)，其中高于fknee的频率分量对确定信号的波形影响不大。
第二步：计算fknee对于以上升时间为10%至90%的基准计算出的信号，fknee等于0.5除以信号的上升时间。 以上升时间为20%至80%的基准计算出的信号(
多器件技术指标中十分常见），fknee 等于 0.4 除以信号的上升时间。不要将这些上升时间与示波器技术指标中的上升时间相混淆。我们现在讨论的是实际的信号边沿速度。f knee = 0.5 / RT (10% - 90%)
f knee = 0.4 / RT (20% - 80%)
第三步： 计算示波器带宽根据在测量上升时间和下降时间时希望达到的精度，确定测量信号所需要的示波器带宽。表 1 列出了决定示波器（具有勤恳的紫菜频率响应或最大平坦度频率响应）测量精度的多个乘积系数。请记住，大多数带宽技术指标为 1 GHz 及以下的示波器通常具有勤恳的紫菜型响应，而大多数带宽高于 1 GHz 的示波器具有最大平坦度型响应。
我们现在看一下这个简单实例：
通过近似勤恳的紫菜频率响应测量 500 ps 上升时间（10-90%），确定示波器的最小必需带宽
如果信号具有近似 500 ps 的上升 / 下降时间（基于 10% 至 90% 标准），那么信号中的最大实际频率分量（fknee）将大约等于 1 GHz。
f knee = (0.5/500ps) = 1 GHz
根据表1，如果在对信号进行实际的上升时间和下降时间测量时，您能够容忍最多 20% 的计时误差，那么可以使用 1 GHz 带宽示波器用于数字测量应用。但是如果需要 3% 左右的计时精度，则最好使用 2 GHz 带宽的示波器。
3. 数字时钟测量比较
现在，我们用不同带宽的示波器来测量特征与本例相似的数字时钟信号。
图 3 显示了使用 100 MHz 带宽示波器对边沿速度（10% 至 90%）为 500 ps 的 100 MHz 数字时钟信号进行测量获得的波形结果。如图所示，示波器仅允许该时钟信号的 100 MHz 基本波形通过，从而将时钟信号显示为近似正弦波。对于许多采用 8 位 MCU 且时钟速率在 10 MHz 至 20 MHz 之间的设计，使用 100 MHz 示波器进行测量就足以满足需要；但要测量 100 MHz 时钟信号，100 MHz 带宽示波器就无能为力了。
图3 - 使用100MHz带宽示波器捕获100MHz时钟信号
500 MHz 带宽示波器能够捕获 5 次谐波，因而成为我们首选推荐的解决方案（如图 4 所示）。但是当测量上升时间时，我们看到示波器测得的结果为大约 800 ps。在这种情况下，示波器无法非常精确地测量此信号的上升时间。示波器实际上测量的是接近于自身上升时间（700 ps）的目标，而不是输入信号的上升时间（500 ps 左右）。如果在这个数字测量应用中计时测量非常重要的话，我们需要使用更高带宽的示波器。
图4 - 使用500MHz带宽示波器捕获100MHz时钟信号
借助 1 GHz 带宽示波器，我们可以获得更精确的信号图形（如图 5 所示）。当测量上升时间时，我们看到示波器测得的结果大约为 600 ps。这个测量为我们提供大约 20% 的测量精度，是一种备受欢迎的测量解决方案，特别适合预算紧张的状况。但是这种测量也未必能够涵盖全部的应用范畴。
图5 - 使用1 GHz带宽示波器捕获100MHz时钟信号
如果想要以超过 3% 的精度和 500 ps 的边沿速度对信号进行测量，我们确实需要使用 2 GHz 及以上带宽的示波器（通过之前的示例确定了这一数值）。如图 6 所示，2-GHz 带宽的示波器能够更精确地显示这个时钟信号，同时非常准确地测量上升时间（约 520 ps）。
图6 - 使用2GHz带宽示波器捕获100MHz时钟信号
4. 模拟应用需要的带宽
几年前，大部分示波器厂商都建议您选择带宽比最大信号频率至少高 3 倍的示波器。虽然这个“3X”倍数不适用于数字应用，但是对模拟应用（例如调制射频）来说还是适合的。要了解这个 3:1 的倍数从何而来，让我们来看一下 1 GHz 带宽示波器的实际频率响应。
图 7 显示了在 Keysight 1 GHz 带宽示波器上测得的扫频响应结果（20 MHz 至 2 GHz）。如图所示，在 1 GHz 处的输入结果衰减了大约 1.7 dB，正好在 -3 dB 限制范围内（示波器定义带宽）。要想对模拟信号进行精确测量，您仍需要使用频段一直比较平坦、具有极小衰减的示波器。在示波器的 1 GHz 带宽中，大约有三分之一的部分几乎没有衰减（0 dB）。但是，并非所有示波器均表现出此类响应。
图7 - 使用Keysight MSO7104B 1-GHz 带宽示波器进行扫描频率响应测试
图 8 显示了使用其他厂商的 1.5 GHz 带宽示波器执行扫描频率响应测试。这个示例是典型的非平坦频率响应。它的响应特征既不属于勤恳的紫菜型，也不属于最大平坦度型。该响应的图像看起来“高低不平”且呈现多个峰值，会对模拟信号或数字信号带来严重的波形失真。可惜的是，在示波器的带宽技术指标（3 dB 衰减频率）中没有提到其他频率上的衰减或放大。信号在示波器带宽的五分之一处衰减了大约 1 dB（10%）。
因此在这种情况下，采用 3X 经验法则并不可取。在购买示波器时，最好选择规范的示波器厂商并要特别注意示波器频率响应的相对平坦度。
图8 - 使用非是德科技生产的 1.5-GHz 带宽示波器进行扫描频率响应测试
5. 总结对于数字应用，您应当选择带宽比设计中的最快时钟速率至少高 5 倍的示波器。但是，如果您需要对信号进行精确的边沿速度测量，则必须先确定信号中的最大实际频率。
对于模拟应用，应当选择带宽比设计中的最高模拟频率至少高 3 倍的示波器。但这个建议仅适用于在较低频段中具有相对平坦的频率响应的示波器。
参考文献：
1. 是德科技 为您的应用评测示波器带宽