1,根据RC理论模型的示波器幅频特性曲线
示波器的带宽被称为示波器的榜首目标,而示波器的幅频特性曲线则直接证明了示波器带宽目标是否符合要求,表征了示波器模仿前端放大器的重要特性。
当示波器输入幅值稳定但频率改变的正弦波时,示波器丈量到的峰峰值将跟着输入频率而改变,这种幅值随频率改变的联系便是示波器的幅频特性。其实和示波器的幅频特性相对应的还有相频特性,在高端示波器信号保真度的评论中时有提及。
从数学的视点,示波器的频率呼应函数 H(jw) 等于输出y(t)的傅氏改换Y(jw)与输入x(t)的傅氏改换X(jw)的比值:H(jw) = Y(jw) / X(jw),一般H(jw)是一个复数,它的模是“幅频特性”,它的幅角便是“相频特性”。经过对数坐标表明幅频特性的图形称为波特图。
众所周知,示波器的模仿前端放大器是低通滤波器特性。低通滤波器用一阶RC电路模型等效之后如图1所示。
图1 低通滤波器的一阶RC电路模型
图2 低通滤波器的幅频特性曲线
该RC电路的传递函数是:
假定:
则传递函数可写成:
幅频特性为:
据此画出一阶RC电路的幅频特性曲线如图2所示。图示中的转机频率点便是输出电压降低到输入的70.7%的频率,也便是-3dB频率点。示波器的模仿带宽便是以此转机频率点来确认的。
2,幅频特性曲线的不同形状之八卦
特别着重的是,图2的幅频特性曲线仅仅一种根据RC电路推导得到的传递函数取得的理论上的幅频特性曲线,其形状是高斯呼应曲线。实践上的示波器的幅频特性曲线的形状不或许是如此完美的高斯呼应。不同类型的示波器或许选用了不同形状的幅频特性曲线形状,有的选用砖墙式(矩形)幅频特性曲线,有的选用四阶Bessel曲线,有的选用高斯曲线。但仅仅迫临这些抱负曲线的形状。
早些年,有示波器供货商撰文着重砖墙式曲线是最完美的,由于丈量低频信号幅值的失真度很小,但随之遭到的进犯是砖墙式曲线的相位失真很严峻,而也有示波器供货商则着重高斯曲线是最适合于丈量脉冲快沿信号,由于带宽的“尾巴”很长,能够包含更多的信号能量,但遭到的进犯是高斯呼应是丈量高速信号眼图的“梦魇”,由于高速信号的中频部分被严峻衰减,但高速信号最主要的频率成分在中频部分以下。还有示波器厂商长篇大论地阐明四阶Bessel是最适合丈量高速串行信号的。
为了能够针对不同的运用选用不同的幅频特性,有示波器供货商爽性让用户在示波器的菜单中挑选某种幅频特性曲线,为此,该供货商宣布了一篇严厉的技能白皮书来阐明DSP在批改示波器模仿前段端的幅频特性曲线形状上的运用。可是,该公司的做法在我国市场的部分竞赛中又遇到费事,友商因而“进犯”说该公司的示波器模仿前端是用“软件”完结的,所以必定有问题。之类如此……。这些无理无聊的进犯往往仍是能被部分客户承受的。这给人的启示是,当有些示波器供货商企图经过”Marketing Talking”的东西将用户带入高端认知形式去深化了解示波器的细节的时分,或许会拔苗助长。
咱们能够进一步推导出示波器的上升时间和带宽之间的联系:上升时间=0.35/带宽。这里边0.35也是根据RC电路推导的。可是,实践的示波器模仿前端并不或许是规范的RC电路模型,幅频特性曲线形状各异,实践的上升时间和带宽之间或许是0.4,0.45,0.5等不同的数值联系。 不同的幅频特性曲线或许对应不同的上升时间。实在的示波器幅频特性曲线和上升时间都是经过计量标定得到的。
3,幅频特性曲线的制作办法之江湖纷争
幅频特性曲线制作办法,笔者在江湖上遇到过的有四种:扫频点描法,扫频FFT法,快沿FFT法,底噪FFT法。(需求阐明一下:这些办法的命名是笔者个人界说的,我们不要去查找这几个词了。)
其间,底噪FFT法便是示波器不输入任何信号,仅对示波器本底噪声做FFT运算,由于本底噪声是随机噪声,或许包含了各种不同的频率成分,因而其FFT成果的高频成份越丰厚,阐明示波器带宽越高。这种办法存在的缝隙十分显着,是一种典型地在我国市场上示波器供货商忽弄用户的。
真正在计量上认可的办法只要一种,便是扫频点描法。 下面要点介绍这种办法。
3.1,扫频点描法(幅频特性曲线的计量办法)
所谓扫频点描法便是逐步增大示波器的输入频率,示波器丈量每个频率点的电压幅值。 将频率作为横坐标,每个频率点丈量到的电压值作为纵坐标就制作出幅频特性曲线。在大学试验教学中有这样的试验项目来要求学生制作幅频特性曲线。
可是一谈到“计量”这个词,人们就会堕入鸡和蛋的深渊。该“信任”谁?信任信号源的输出幅值仍是信任示波器丈量的成果? 溯源是要害。 幅频特性曲线的“计量”需求正弦波信号源(高频时运用射频信号源),需求计量过的电缆,计量过的功分器,计量过的功率计。运用功率计是由于从计量上来说并不“信任”信号源的读数输出,而是信任功率计,由于功率计的精度远远大于示波器。运用功率计仅仅确保在低频和高频时的功率是相同的,并不是将功率计的成果和示波器的成果进行逐个比较。专用的示波器检测仪器的探头上带有功率计,确保了信号源输出功率的共同,就不需求功分器了。详细计量时的衔接示意图如图3所示。
图3 示波器幅频特性曲线的计量衔接示意图
完结这样衔接之后,有一种快速了解示波器的幅频特性是否满足要求的办法是,检查低频时和高频时的示波器的起伏不同是否在-3dB以内,譬如在低频时信号占满示波器的6格,在高频时应占满4.2格。