如何正確認(rèn)識信號測量帶寬？

　　在電子測試測量中，捕捉完整、真實的信號是工程師關(guān)注的重點。然而，在高頻測量中，測量波形的完整性與測試儀器的帶寬有著密切的聯(lián)系。本文將深入探討信號測量帶寬的重要性、不同波形測量的帶寬要求、上升時間對帶寬的影響，以及探頭帶寬與系統(tǒng)帶寬的關(guān)系，幫助工程師更好地理解和選擇測量設(shè)備。

　　信號測量帶寬的重要性

　　當(dāng)信號通過帶寬受限的傳輸線路時，如果線路的帶寬小于信號的帶寬，信號的高頻成分將被削弱或完全濾除。這種削弱會導(dǎo)致信號失真，特別是在數(shù)字信號中，方波的尖銳邊緣(高頻成分)會變得模糊，使得信號變形，影響數(shù)據(jù)的正確傳輸。

　　不同波形測量的帶寬要求

　　正弦波測量

　　為了精確地測量正弦波，儀器帶寬必須超過波形所含帶寬。例如，測量正弦波時，儀器帶寬至少必需和正弦波的頻率差不多。因為正弦波頻率若等于儀表的3dB帶寬，測量值必然被降低3dB，所以需要儀表有較寬的帶寬。所需的帶寬富余量由響應(yīng)曲線從3dB附近下滑的速度快慢而定。

　　非正弦波測量

　　對于非正弦波的波形，必須考慮其諧波。若是諧波超出了儀表帶寬，將不能測得它對波形的影響。但若是諧波超出某種需要忽略的頻率范圍，是被允許的。按理來說，具有無限諧波的波形將需要儀表具有無限帶寬，才能測量完整的波形。但實際上，高次諧波只含有很小的能量，可以忽略不計，只要適當(dāng)考慮忽略高次諧波在測量中會產(chǎn)生多少誤差即可。

　　上升時間對帶寬的影響

　　在眾多影響數(shù)字信號的因素中，數(shù)字信號的帶寬與數(shù)字信號的上升時間有著很大的關(guān)系。數(shù)字信號的上升和下降時間(也即信號從低電平到高電平的過渡時間)對帶寬有直接影響。上升時間越短，信號變化越快，因此包含的高頻成分越多，帶寬需求越大。如果上升和下降時間較長，信號變化較緩慢，帶寬需求則相對較小。

　　探頭上升時間與帶寬的關(guān)系

　　探頭的上升時間Tr定義為在使用理想的瞬時上升脈沖時測得的上升時間。在測量脈沖上升時間或下降時間時實現(xiàn)合理的精度，探頭和示波器的總上升時間應(yīng)該比被測脈沖快3-5倍。例如，當(dāng)上升時間比被測脈沖快三倍(3:1比率)的示波器/探頭組合預(yù)計可以測量5%范圍內(nèi)的脈沖上升時間。5:1的比率將僅導(dǎo)致2%的誤差。

　　探頭帶寬與系統(tǒng)帶寬

　　示波器的測量中，探頭是必備的，所以探頭帶寬亦會影響測量結(jié)果。整個系統(tǒng)的帶寬是由帶寬最低的那個設(shè)備所限制決定的。因此，選擇合適帶寬的設(shè)備對測量結(jié)果非常重要，直接影響測量精度。

　　探頭帶寬的選擇

　　“五倍規(guī)則”一般來說，為準(zhǔn)確地進行幅度測量，示波器的帶寬應(yīng)比被測的波形頻率高五倍。選擇合適帶寬的設(shè)備對測量結(jié)果非常重要，直接影響測量精度。如果被測信號的頻率超過探頭的帶寬，則無法正確地傳輸信號，測量出來的數(shù)據(jù)會失真。較高的探頭帶寬通常伴隨著更好的測量精度，適用于需要捕捉高頻信號細(xì)微變化或紋波噪聲等細(xì)節(jié)的測量。但是，探頭帶寬也并不是越大越好，一個原因是要考慮輸出后受限于示波器的帶寬。

　　實際應(yīng)用中的探頭選擇

　　不同的應(yīng)用場景需要選擇不同的探頭帶寬。測試數(shù)字信號時需要選擇帶寬高、上升時間短的探頭，而測試高速模擬信號時則需要選擇更高帶寬的探頭。例如，雙脈沖測試是目前了解第三代半導(dǎo)體SiC/GaN動態(tài)參數(shù)的最佳手段，其中光隔離探頭作為電壓測量的最佳解決方案，最主要的特點就是帶寬高。目前PMK的光隔離探頭能做到1G甚至1.5G高帶寬，以滿足高速信號的測量需求。

　　結(jié)論

　　綜上所述，選擇探頭的帶寬時，應(yīng)根據(jù)被測信號的頻率范圍、測量精度要求、成本預(yù)算以及實際應(yīng)用場景綜合考慮，以達(dá)到最佳的測量效果和成本控制。正確認(rèn)識信號測量帶寬，不僅有助于提高測量精度，還能在復(fù)雜的電子測試環(huán)境中確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和分析。

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