帶寬通常為示波器的第一指標(biāo)，也是我們?cè)谶x擇示波器時(shí)首要考慮的因素。信號(hào)經(jīng)過(guò)探頭進(jìn)入示波器后，首先經(jīng)過(guò)的就是放大器和衰減器，它們決定了示波器的帶寬大小，在沒(méi)有特別說(shuō)明的情況下我們說(shuō)的帶寬是示波器模擬前端放大器的帶寬，也就是-3dB截止點(diǎn)。

在示波器上一般有兩個(gè)地方可以查看帶寬：

①一般在示波器的左上角或右上角會(huì)標(biāo)注帶寬的大小。

②在示波器的設(shè)備-儀器參數(shù)下可以看到帶寬的大小。

示波器放大器的典型電路如下圖所示（放大器具體原理請(qǐng)查詢模擬電路資料），這種放大器可以等效為RC低通濾波器，因此等效電路推導(dǎo)出來(lái)的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系，可以得出理想的幅頻特性曲線。

圖：放大器的典型電路

圖：放大器的等效電路模型

圖：放大器的理想波特圖

對(duì)于放大器而言，其增益隨著輸入信號(hào)的頻率增高而會(huì)下降，f2為輸出電壓降低到輸出電壓0.707時(shí)的頻率點(diǎn)，此時(shí)增益下降了-3dB。一般把放大器增益下降-3dB 對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)稱為這個(gè)放大器的帶寬，示波器的帶寬也是用同樣方法定義的。

-3dB是怎么來(lái)的？

-3dB也叫半功率點(diǎn)或者截止頻率點(diǎn)，該點(diǎn)的功率正好為總功率的一半。

所以-3dB即功率增益下降1/2，電壓增益下降0.707時(shí)的增益。

假設(shè)對(duì)于一臺(tái)標(biāo)稱帶寬為1GHz 的示波器，輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的50MHz，1V 峰峰值的正弦波信號(hào),在示波器上測(cè)量到的信號(hào)幅度為 A;然后將輸入信號(hào)的幅度保持不變,頻率逐漸增加到1GHz.這時(shí)在示波器上測(cè)量到的信號(hào)幅度為B。如果20lg(B/A)的計(jì)算結(jié)果沒(méi)超過(guò)-3dB(例如為-2.8dB),這臺(tái)示波器就是合格的，否則就是不合格的。對(duì)于示波器的帶寬檢定通常使用的也是這種方法。

需要注意的是-3dB是按照信號(hào)功率計(jì)算的，相當(dāng)于信號(hào)的功率增益下降1/2, 但示波器測(cè)量的是電壓信號(hào)，所以-3dB相當(dāng)于示波器電壓的增益隨著頻率的增加下降到原來(lái)的0.707倍。因此標(biāo)準(zhǔn)的50MHz，1V 峰峰值的正弦波信號(hào)，用1GHz的示波器測(cè)量的電壓幅度是1V，當(dāng)頻率增加到1GHz以后，這時(shí)測(cè)量到的信號(hào)幅度可能只有0.7V左右。

從前面的例子可以看出,示波器并不是對(duì)帶寬內(nèi)的所有頻率信號(hào)都保持相同的測(cè)量精度的,被測(cè)信號(hào)頻率越接近帶寬附近，測(cè)量結(jié)果的幅度誤差越大，如果這個(gè)幅度誤差超過(guò)了可以接收的范圍,就要考慮用更高帶寬的示波器進(jìn)行測(cè)量。另外示波器也不是絕對(duì)不可以對(duì)超過(guò)帶寬的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,如果被測(cè)信號(hào)的頻率只是稍微超過(guò)了示波器的帶寬,雖然信號(hào)的衰減會(huì)比較大,但大概的頻率周期等時(shí)間信息還是比較準(zhǔn)確的(對(duì)正弦波信號(hào))。

測(cè)試對(duì)于帶寬的要求

在信號(hào)測(cè)試中我們常用的普適原則就是“示波器帶寬必須為被測(cè)信號(hào)頻率的5倍及以上”。如果選擇的示波器滿足這一要求，那么該示波器就能以最小的信號(hào)衰減捕捉到被測(cè)信號(hào)的5次諧波。信號(hào)的5次諧波在確定數(shù)字信號(hào)的波形重建方面非常重要。

注意：信號(hào)的帶寬和頻率沒(méi)有任何關(guān)系，只和信號(hào)的沿有關(guān)。上面只是提供了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。

但如果需要對(duì)高速信號(hào)邊沿進(jìn)行精確測(cè)量，那么這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式有點(diǎn)草率，因?yàn)榕c示波器帶寬緊密相關(guān)的是其上升時(shí)間。

圖：泰克MSO5系示波器中標(biāo)注的帶寬與其上升時(shí)間

示波器的上升時(shí)間不是示波器能夠精確測(cè)量的最快的邊緣速度，而是當(dāng)輸入信號(hào)具備理論上無(wú)限快的上升時(shí)間（0ps）時(shí)，示波器能夠達(dá)到的最快邊沿速度。這種理論參數(shù)不可能測(cè)得到，實(shí)際使用中可以通過(guò)輸入一個(gè)邊沿速度為示波器上升時(shí)間快3到5倍的邊沿信號(hào)來(lái)測(cè)量示波器的上升時(shí)間。

測(cè)試案例

下圖為使用100M帶寬的示波器測(cè)量一個(gè)邊沿速度為500ps的100MHz方波時(shí)鐘的波形結(jié)果，可以看到示波器只能讀到時(shí)鐘信號(hào)的100MHz基本頻率成分，但是波形已經(jīng)嚴(yán)重變形，說(shuō)明使用100M帶寬的示波器來(lái)測(cè)量100MHz的的方波信號(hào)明顯不夠用。

接下來(lái)提高示波器帶寬到500M重新在測(cè)試一次，從圖中可以看出，示波器能捕獲到信號(hào)的5次諧波，也滿足了傳統(tǒng)計(jì)算方法的建議，但是上升沿測(cè)得為750ps，這個(gè)結(jié)果很接近它自己的上升時(shí)間（700ps）,而不是輸入信號(hào)的上升時(shí)間，因此需要更高帶寬的示波器才能滿足這一要求。

下圖為將帶寬提高到1G后重測(cè)的波形，可以測(cè)量到上升時(shí)間為550ps，測(cè)量誤差為10%，這一測(cè)量結(jié)果基本夠用，如果要求更高的精度，那么需要采用更高帶寬的示波器。

進(jìn)一步換用2G帶寬的示波器測(cè)到的波形，此時(shí)是比較精確的時(shí)鐘信號(hào)，上升時(shí)間測(cè)量結(jié)果為495ps.

對(duì)數(shù)字應(yīng)用而言,簡(jiǎn)單地估算示波器帶寬至少應(yīng)比被測(cè)設(shè)計(jì)的最快時(shí)鐘速率快 5倍(保證基本的信號(hào)形狀),但在需要精確測(cè)量信號(hào)的邊沿或者時(shí)序時(shí),則要根據(jù)信號(hào)的最快邊沿來(lái)估算其信號(hào)帶寬，從而決定需要的示波器帶寬。

總結(jié)

帶寬可以說(shuō)是示波器最重要的指標(biāo)之一，在硬件開(kāi)發(fā)或測(cè)試面試中也是經(jīng)常問(wèn)到的問(wèn)題之一，“在測(cè)試中，對(duì)于示波器的帶寬你是怎么選擇的？”

之前提到的普適原則，“示波器帶寬必須為被測(cè)信號(hào)頻率的5倍及以上”，在這里是正確的。

實(shí)際上信號(hào)的帶寬是和信號(hào)的上升沿相關(guān)的，并不是頻率低的信號(hào)帶寬就低，頻率高的信號(hào)帶寬就高。

信號(hào)的最高頻率成分=0.5/信號(hào)上升時(shí)間（10%-90%）

信號(hào)的最高頻率成分=0.4/信號(hào)上升時(shí)間（20%-80%）

此時(shí)我們認(rèn)為示波器的帶寬只要高于信號(hào)的最高頻率成分，則可認(rèn)為示波器能夠滿足測(cè)試要求。

最后在高速信號(hào)測(cè)量時(shí)還要考慮示波器本身的上升時(shí)間，不能測(cè)量一個(gè)上升沿時(shí)間遠(yuǎn)大于示波器的最大上升沿時(shí)間的高速信號(hào)。

所以答案總結(jié)為以下三點(diǎn)：

①5倍帶寬普適原則：示波器帶寬必須為被測(cè)信號(hào)頻率的5倍及以上

②通過(guò)信號(hào)的上升沿時(shí)間來(lái)估算信號(hào)的真實(shí)帶寬

信號(hào)的最高頻率成分=0.5/信號(hào)上升時(shí)間（10%-90%）

信號(hào)的最高頻率成分=0.4/信號(hào)上升時(shí)間（20%-80%）

③在高速信號(hào)測(cè)量時(shí)，還要考慮示波器本身的上升沿時(shí)間是否滿足要求。