如何正确认识信号测量带宽？

在电子测试测量中，如何捕捉完整、真实的信号是工程师关注的重点。然而在高频测量中，测量波形的完整性与测试仪器的带宽有着密切的联系。

当信号通过带宽受限的传输线路时，如果线路的带宽小于信号的带宽，信号的高频成分将被削弱或完全滤除。这种削弱会导致信号失真，特别是在数字信号中，方波的尖锐边缘（高频成分）会变得模糊，使得信号变形，影响数据的正确传输。

不同波形测量的带宽要求

通常情况下，为了精确地测量波形，仪器带宽必须超过波形所含带宽。例如测量正弦波，仪器带宽至少必需和正弦波的频率差不多。因为正弦波频率若等于仪表的3dB带宽，测量值必然被降低3dB，所以需要仪表有较宽的带宽。所需的带宽富余量由响应曲线从3dB附近下滑的速度快慢而定。

关于测量正弦波，可用已知输入信号记录出在这些频率上的响应，以校正3dB带宽附近的频率响应。让响应曲线重复出现，并运用由于带宽受制约造成的误差去纠正测量值，可获得实际值。

仅测量AC电压的仪表，其响应曲线在低频和高频处一样下滑。使用这类仪表时，必须对高频和低频带宽的极限都要考虑。

对于非正弦波的波形，必须考虑其谐波。若是谐波超出了仪表带宽，将不能测得它对波形的影响。但若是谐波超出某种需要忽略的频率范围，是被允许的。按理来说，具有无限谐波的波形将需要仪表具有无限带宽，才能测量完整的波形。但实际上，高次谐波只含有很小的能量，可以忽略不计，只要适当考虑忽略高次谐波在测量中会产生多少误差即可。

上升时间对带宽的影响

在众多影响数字信号的因素中，数字信号的带宽与数字信号的上升时间有着很大的关系。数字信号的上升和下降时间（也即信号从低电平到高电平的过渡时间）对带宽有直接影响。上升时间越短，信号变化越快，因此包含的高频成分越多，带宽需求越大。如果上升和下降时间较长，信号变化较缓慢，带宽需求则相对较小。

探头的上升时间Tr定义为在使用理想的瞬时上升脉冲时测得的上升时间为在测量脉冲上升时间或下降时间时实现合理的精度，探头和示波器的总上升时间应该比被测脉冲快 3-5 倍。

上图是上升时间之比测量误差，当上升时间比被测脉冲快三倍(3:1比率)的示波器 / 探头组合预计可以测量 5%范围内的脉冲上升时间。5:1的比率将仅导致2%的误差。在没有指定上升时间的情况下，上升时间与带宽的关系根据总结的经验得到公式：

公式解释 

 上升时间：1.上升时间T_r通常指的是数字信号从低电平（通常是 10% 的最大电压值）上升到高电平（通常是 90% 的最大电压值）所需要的时间，单位是纳秒（ns）。2.它是衡量信号变化速度的一个指标。上升时间越短，信号变化越快。

带宽：1.带宽BW是信号中包含的频率范围，单位是 GHz。2.带宽越大，信号能够传递的信息越多，也意味着信号的频谱范围更广。

公式含义：如果信号的上升时间越短（即信号变化越快），则信号所需的带宽越大。这是因为更快的信号变化意味着在频域上需要更宽的频率范围来准确表示这个信号，反之，如果上升时间较长，则带宽较小。

例如，如果需要测量上升时间为10 ns的方波信号，则信号传输线路带宽要35 MHz以上（1G=1000M）才能保证信号的完整性。

通过上述文章，我们可以了解到上升时间与带宽之间的关系，可以为之后的测试设备选型提供帮助。

探头带宽 VS 系统带宽

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• 示波器的测量中，探头是必备的，所以探头带宽亦会影响测量结果，其上升时间影响公式如下：

  

• 由此也可以看出，示波器及探头的带宽越宽，则对测量带宽的影响越小，也就是说测量带宽越接近信号带宽。

整个系统的带宽是由带宽最低的那个设备所限制决定的。

探头该如何选择合适的带宽呢？

“五倍规则”一般来说，为准确地进行幅度测量，示波器的带宽应比被测的波形频率高五倍。

选择合适带宽的设备对测量结果非常重要，直接影响测量精度。

如果被测信号的频率超过探头的带宽，则无法正确地传输信号，测量出来的数据会失真。较高的探头带宽通常伴随着更好的测量精度，适用于需要捕捉高频信号细微变化或纹波噪声等细节的测量。但是，探头带宽也并不是越大越好，一个原因是要考虑输出后受限于示波器的带宽。

例如：双脉冲测试应用中常见的高频无感同轴分流器，带宽高达2G，可如果选择了2G带宽的但是示波器只有500M，那么这个探头的2个G并没有太多意义，更多是受限于示波器的500M，实际结果还达不到500M，这也是我们值得注意的一点。

另一个影响就是探头带宽频率越高，会引入更多的噪声和误差，同时分辨率也会受到影响。

不同的应用场景需要选择不同的探头带宽

测试数字信号时需要选择带宽高、上升时间短的探头，而测试高速模拟信号时则需要选择更高带宽的探头‌。

众所周知，双脉冲测试是目前了解第三代半导体SiC/GaN动态参数的最佳手段，其中光隔离探头作为电压测量的最佳解决方案，最主要的特点就是带宽高。目前PMK的光隔离探头能做到1G甚至1.5G高带宽，以满足高速信号的测量需求。

 综上所述，选择探头的带宽时，应根据被测信号的频率范围、测量精度要求、成本预算以及实际应用场景综合考虑，以达到最佳的测量效果和成本控制。

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