中文引用格式： 李海濤，渠紅光，趙春濱，等. 數(shù)字示波器模擬輸入帶寬測試方法研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(1)：46-49.
英文引用格式： Li Haitao，Qu Hongguang，Zhao Chunbin，et al. Research on measurement method of analog input bandwidth of digital oscilloscope[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(1)：46-49.
引言
數(shù)字示波器是一種用于測量、分析和顯示時(shí)變模擬電信號(hào)的測量儀器。它通過對輸入模擬電信號(hào)進(jìn)行采樣、數(shù)字化和存儲(chǔ)等處理，得到數(shù)字電信號(hào)，然后利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在顯示屏上直接顯示出相應(yīng)的波形參數(shù)。
模擬輸入帶寬也稱-3 dB帶寬、3 dB帶寬、模擬帶寬等，文中簡稱帶寬（Bandwidth，BW）。在數(shù)字示波器中，帶寬的簡單定義如下：示波器測得標(biāo)準(zhǔn)正弦波的幅值不低于輸入正弦波信號(hào)幅值的0.707時(shí)的最高頻率，默認(rèn)的帶寬從直流（0 Hz）開始[1-6]。一般情況下，首選測量得到示波器的幅度頻率特性響應(yīng)曲線（又稱幅頻響應(yīng)、幅頻特性、幅頻曲線、Bode Plot、波特圖等），之后歸一化，找到第一個(gè)輸入幅值衰減到0.707時(shí)對應(yīng)的頻率值，該點(diǎn)就是示波器的-3 dB帶寬最大值。帶寬被稱為數(shù)字示波器的第一參數(shù)指標(biāo)，在選擇數(shù)字示波器時(shí)，首先要確定的參數(shù)指標(biāo)也包含帶寬。
按照采樣方式劃分，數(shù)字示波器可以分為實(shí)時(shí)采樣示波器、等效采樣示波器等，其通道組成基本相同。前向通道主要包括模擬信號(hào)調(diào)理、采樣保持電路（Track and Hold Circuit）、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）等，是示波器模擬帶寬的主要組成部分[5-6]。模擬信號(hào)調(diào)理主要包括阻抗選擇、交直流耦合、無源衰減、基線偏移調(diào)節(jié)、增益衰減等。在實(shí)時(shí)采樣示波器內(nèi)部，THC一般包含在ADC中；在等效采樣示波器內(nèi)部，THC一般為獨(dú)立模塊以提高帶寬。ADC主要完成模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，模擬輸入帶寬、采樣率（水平分辨率）、垂直分辨率等是其核心性能參數(shù)。ADC輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入后向通道的數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processer，DSP）等部分，在DSP中實(shí)現(xiàn)數(shù)字補(bǔ)償算法，精細(xì)補(bǔ)償幅頻特性曲線，可以得到更加平坦的數(shù)字帶寬。本文主要研究示波器的模擬輸入帶寬的測試方法。
根據(jù)前述，數(shù)字示波器中的帶寬包含了模擬信號(hào)處理鏈路、THC、ADC、DSP等器件的貢獻(xiàn)，是示波器保持穩(wěn)定工作的頻率范圍，是相關(guān)貢獻(xiàn)因素的均方根[4,7-8]。數(shù)字示波器的帶寬是一個(gè)系統(tǒng)帶寬的概念，不僅包含了運(yùn)算放大器、采樣保持器、ADC等的模擬帶寬等，而且可能包含了DSP的數(shù)字帶寬等。不同廠商的示波器帶寬不盡相同，有的數(shù)字示波器帶寬也稱為DSP數(shù)字增強(qiáng)型帶寬，有的則為模擬輸入帶寬（不包含DSP帶寬等的貢獻(xiàn)）。
數(shù)字示波器中的帶寬按照輸入信號(hào)幅值大小的情況，可以分為大信號(hào)帶寬（Large Signal Bandwidth，LSBW）和小信號(hào)帶寬（Small Signal Bandwidth，SSBW）[9]。這里借鑒了運(yùn)算放大器的帶寬定義，運(yùn)算放大器的帶寬包含了大信號(hào)帶寬和小信號(hào)帶寬兩種帶寬定義，兩者側(cè)重的參數(shù)不同。大信號(hào)帶寬主要和電壓擺率（Slew Rate，SR）相關(guān)，強(qiáng)調(diào)對大幅值快變信號(hào)的精確跟隨能力。小信號(hào)帶寬主要由上升時(shí)間（tr）和下降時(shí)間（tf）決定，強(qiáng)調(diào)對小幅值信號(hào)的精確跟隨能力。因?yàn)檫\(yùn)算放大器是數(shù)字示波器模擬信號(hào)鏈路上的關(guān)鍵器件之一，而且ADC中一般不專門提及SR的概念，可知數(shù)字示波器帶寬一般為小信號(hào)帶寬，即常見的示波器帶寬。
目前，商用的國外示波器品牌主要有泰克（Tektronix）、是德（Keysight）、力科（Lecroy，已被Teledyne收購）等，國內(nèi)的示波器品牌主要有普源精電、鼎陽等。不同示波器生產(chǎn)商對示波器的帶寬定義各有特色，國外三種品牌的示波器的幅值頻率響應(yīng)（幅頻響應(yīng)）特性也不同，可以細(xì)分為三種不同的幅頻響應(yīng)特性曲線（也稱波特圖），分別是：泰克的高斯響應(yīng)（Gaussian Response）、是德的最大平坦響應(yīng)（Maximum Flatness Response，又稱磚墻響應(yīng)）、力科的四階貝塞爾響應(yīng)（4th order Bessel Response）[10-13]。國內(nèi)示波器品牌中，鼎陽的示波器產(chǎn)品的幅頻響應(yīng)特性曲線和力科產(chǎn)品類似，普源精電的示波器產(chǎn)品和是德的產(chǎn)品類似。三種幅頻響應(yīng)曲線的帶內(nèi)平坦度和帶外滾降特性各有特色，高斯響應(yīng)在帶外衰減較慢，最大平坦響應(yīng)的在帶外衰減很快，四階貝塞爾響應(yīng)則是兩者的折中，典型的對比如圖1所示，給出了示意幅頻響應(yīng)曲線，x軸為線性坐標(biāo)，表示頻率，y軸為對數(shù)坐標(biāo)，表示不同頻率對應(yīng)的功率分量，一般采用對數(shù)坐標(biāo)表示。在測量不同性質(zhì)的信號(hào)（高頻信號(hào)、中頻信號(hào)、低頻信號(hào)等）和信號(hào)參數(shù)（信號(hào)上升時(shí)間、眼圖、混疊誤差等）時(shí)，三種幅頻響應(yīng)曲線各有特色。一般情況下，三種響應(yīng)均能夠滿足要求，在進(jìn)行特殊測量時(shí)或者對測量精度要求很高時(shí)，可以根據(jù)需要選擇合適的示波器產(chǎn)品。隨著技術(shù)的進(jìn)步，三個(gè)主流產(chǎn)品的幅頻特性曲線也在相互借鑒，相互優(yōu)化。
圖1 三種典型的幅頻響應(yīng)曲線
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作者信息：
李海濤，渠紅光，趙春濱，劉森，田耕
（西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024）
