对两个术语的含义进行简要解释:
上升时间指的是信号从低电平阈值上升到高电平阈值所需的时间段,这个值常以信号的10%至90%之间或某些情况下为20%至80%之间来定义。
而带宽(BW)则是描述信号频谱宽度的物理量。所有的信号都可归类为时域信号和频域信号,通过傅里叶变换可以由时域信号获得频域信号。信号的带宽即为最高频率分量和最低频率分量之差。例如,一个方波通过分解可以得到多个不同频率的正弦波叠加,其最低频率为基频(假设为2MHz),最高频率为其5次谐波(10MHz),那么其带宽就是8MHz。
二者的关系表现为:
通过公式 BW = 0.35 / Tr 我们可以知道Tr与BW之间的对应关系,其中Tr为信号的上升时间。
在使用示波器对信号的上升时间进行测量时,我们需注意示波器本身的带宽限制会对测量结果产生影响。
下面是一个关于示波器工作原理的简略示意图。
在讨论放大器时,我们提到了其增益会随着频率增加而减少。当放大器增益降低至-3dB时的频率被称为放大器的带宽。因为示波器内部包含了放大器组件,其带宽同样通过这种方式进行定义。
-3dB是由于信号功率下降到了一半。因为功率与电压的平方成正比,所以当功率降低一半时,电压会随频率增加降至原始值的0.707倍。以一个示例为例,如果用一个100MHz带宽的示波器测量一个峰峰值为1V、频率为100MHz的方波信号,测得的结果大约为0.707V,这表明示波器在测量信号幅度时存在衰减。
示波器不仅影响信号的幅度,还会对信号的上升时间产生影响。我们引入了一个由示波器带宽引起的上升时间T_osc。
根据经验公式 T_osc = 0.35 / BW,我们可以得出T_osc与BW的关系。而实际测量的信号上升时间为T_test,计算公式为 T_test = √(T_osc^2 + T^2)。
以500M带宽的示波器为例,它会对测量引入约700ps的上升时间影响。若测量的信号上升时间远大于700ps,则可以忽略示波器对信号上升时间的影响。
考虑到一个信号的上升时间为1ns且其对应的带宽为350M的情况,使用500M带宽的示波器进行测量时,实际测得的上升时间为1.22ns,这样的测量结果显然是不准确的。
在测量信号时,选择合适的示波器至关重要。通常我们根据信号的带宽来选择具有相应带宽的示波器。
在实际操作中,我们通常只知道信号的频率而不知道其上升时间,因为上升时间是我们要测量的结果。那么我们该如何选择示波器呢?
在IC器件的数据手册中,我们常常能找到关于输入信号上升时间的要求。根据经验公式,上升时间与信号周期的关系约为7%,即T_r = 7% × T_c。
将上述关系代入经验公式中,我们可以得出:当带宽为BW=5f时(其中f为信号频率),可以覆盖测量信号的多次谐波,从而确保测量质量。
在信号测量过程中,我们应首先了解要测量的信号频率是多少,然后根据BW=5f的原则(基于上升时间是信号周期的7%这一经验规则),选择合适的示波器进行信号测量。