你必须要懂的示波器幅频特性曲线

　　幅频特性曲线的计量和示波器的垂直量程有关，不同的量程得到的幅频特性曲线不一样，因此，需要计量不同量程时的幅频特性曲线; 和采样率有关，因为采样率会影响到幅值测量的准确性，一般要将采样率设置为最大; 和连接信号源与示波器接口之间的电缆有关，因为高频时存在衰减和反射问题，和输入信号的幅值大小有关，因此要用功率计来保证不同频率时的输出功率相同; 和示波器的输入通道有关，不同输入通道相同量程下的的幅频特性曲线可能不一样。

　　考虑到计量科学的严谨性，还有几个细节问题需要讨论：

　　（1） 不同量程下输入正弦信号的幅值如何定义？

　　标定在不同量程下的幅频特性曲线需要输入不同幅值的正弦波信号，否则对于有些量程，波形会超出示波器屏幕，而有些量程下波形只占屏幕的一小部分，量化误差很大。

　　输入信号的幅值大小一般以尽量占满栅格为准。据说有规范上要求是以低频时占满栅格的6格为准。具体做法就是：在输入很低频率时调节信号源的输出幅值，使信号占满6格，用功率计测量此时信号的功率，然后逐渐增加频率，在每一个频率点都用功率计标定，确保输入到示波器输入端口的能量始终是相同的，然后再测量每个频率点的幅值。

　　（2） 幅频特性曲线的纵坐标的测量参数该使用示波器测量的幅值，峰峰值还是标准偏差值？

　　这个问题似乎不应该讨论，但却一直在小范围内争论不休，没有结论。有的计量专家要求是以幅值为准，也有专家认为用峰峰值更合适，但也有认为最合理的是用标准偏差（sdev）。对于低带宽示波器，其实不管采用哪个测量参数，因为裕量比较大，争议比较少，但在高端示波器，采样率不是特别大的情况下，测量峰峰值和幅值的差别会比较大。但是，对于现在有些低带宽示波器，譬如在100MHz带宽下，采样率只有250MS/s，计量时用幅值或峰峰值的影响也一样很大。

　　采用幅值的方法被称为众数法，就是以正弦波的顶部和底部出现概率最大的位置作为测量的依归，如图4所示top和base的算法原理。 这样会去掉了顶部的一些样本，以略低于顶部的位置来读数。但是峰峰值却可能把随机噪声也采样进去。 笔者认为采用sdev更合理，但是这个测量参数不能被采纳为计量标准，因为有些低端示波器并没有sdev这个测量参数。

　　图4 幅值算法的来源

　　（3） 是将实时采样率设置为最大，还是等效采样率设置为最大？

　　如果按照现在有些专家坚持采用幅值来作为计量依据，根据图4的算法，幅值的测量精度强烈依赖于采样样本数的大小。如果采用等效采样方式，可以在顶部和底部通过等效采样的算法原理“产生”更密集的样本，虽然这些样本并不一定完全代表真实样本，这对于计量中使用信号源输出的正弦信号信号未必也不是一种好方法。 但是由于等效采样毕竟不是完全代表真实的样本信息，该方法也并没有被专家们采纳。

　　（4） 是否可以采用正弦插值，插值多少个点是允许的？

　　在实时采样前提下采用正弦插值同样会增加幅值测量的准确性。笔者了解到正弦插值是可以被接受的，但是具体插值的样本数的数量目前在计量界也没有统一的说法。示波器打开正弦插值时默认的插值样本数对于不同型号的示波器并不一样，但是插值的样本数量会影响到幅值测量精度。不同的插值样本数可能带来计量结果上的些微偏差。

　　（5） 带宽范围以内的幅频特性曲线和理想曲线之间的偏差，光滑度如何定义？

　　这个问题揭示了示波器测量的一个最大的误差来源。在示波器行业，并没有一个规范来要求示波器的幅频特性曲线在带宽范围以内和理想曲线之间偏差控制在多大。只要在带宽范围以内，任何量程下的任何频率点的正弦信号的输出电压大小不降低到输入的70.7%以下都认为该示波器的带宽是满足要求的。譬如100MHz带宽的示波器，输入100MHz，1V的正弦波，在20MHz时的输出电压是0.8V，在50MHz时是1.2V，在80MHz时是0.73V，在100MHz时是0.71V。这个示波器是合格的！这样的数字化方式来表达这个概念让人印象深刻，但也让人觉得很郁闷。

　　3.1.1 鼎阳SDS3054的幅频特性曲线

　　鼎阳科技不同系列示波器的幅频特性曲线的光滑度都非常好，而且在不同通道，不同量程下的一致性也非常地好。如图5所示是基于扫频点描法得到的SDS3054的幅频特性曲线。其横坐标是频率的对数lg（f），图中标识100表示该处对应的是100MHz，但在绘制时是以lg（100）得来的; 纵坐标是20lg（Vout/Vref），Vout表输入不同频率时的示波器测量结果，Vref表示在起始最低频率（该例中为50KHz）时的示波器测量结果。可以看出在100MHz之前都很接近0dB，在300MHz时也仅衰减约-0.25dB，输出电压降低到输入大约97.2%。在 -3dB 的转折频率点为600MHz，就是说SDS3054的标称带宽实际上达到了600MHz！ 而且更难能可贵的是，四个通道的幅频特性曲线的一致性非常地好！

　　图5 鼎阳SDS3054的幅频特性曲线

　　3.1.2 鼎阳SDS1102E的幅频特性曲线

　　如图6所示为鼎阳科技新推出的电商专品示波器SDS1102E的幅频特性曲线。可以看出，在100MHz范围内，其幅值的稳定度非常好。在100MHz到200MHz由于刻度步进比较大，无法确认在-3dB时的具体带宽是多少，但从图中可以肯定是大于150MHz。

　　示波器厂商都会有自动化软件来自动获得幅频特性曲线图形。笔者将产生这个图形的Excel数据公布如下表1。通过表格数据，我们可以确认，SDS1102E的实际带宽可以达到120MHz以上。在120MHz时的幅值衰减还不到2dB。

　　图6 鼎阳SDS1102E的幅频特性曲线

　　表1 鼎阳SDS1102E的幅频特性曲线的计量数据

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　　——本文选自5月份《测试测量特刊》

　　3.2 扫频FFT法

　　扫频FFT法就是逐渐改变信号源的信号频率，利用示波器的FFT运算结果来表征示波器的带宽。由于带宽的影响，示波器测量到的正弦波信号的幅值降低，相应FFT的基波最大值也会降低，查看降低到-3dB的频率点就是带宽。

　　示波器中的FFT运算结果和FFT的具体算法，FFT的窗函数的选择，FFT的输出结果类型，FFT的输出的单位等有关。FFT算法本身在不同厂商示波器上会不一样，这个算法带来了计量上的“变量”。因此该方法是一个“民间”常用的方法以快速知道大概的频响。