能否用一个带宽为 20MHz 的示波器观测频率为 20MHz 的信号？

能否用一个带宽为 20MHz 的示波器观测频率为 20MHz 的信号？

答案是：基本可以，但会有一定失真和精度损失。

尽管一个 20MHz 带宽的示波器理论上可以显示 20MHz 的信号，但实际上，由于示波器的带宽限制、采样率、探头损耗以及显示算法等多种因素的影响，观测到的信号波形会与原始信号存在差异，可能表现为幅度衰减、相位偏移，甚至波形失真。对于需要精确测量或分析的应用，建议使用带宽远高于待测信号频率的示波器，通常建议示波器带宽是信号频率的 3 到 5 倍，甚至更高。

示波器带宽与信号频率的关系：基本原理

理解为什么 20MHz 带宽的示波器观测 20MHz 信号会有影响，我们需要先了解示波器的带宽是如何定义的，以及它与信号频率的关系。

1. 示波器带宽的定义

示波器的带宽（Bandwidth）通常指的是示波器能够忠实测量信号的最高频率范围。具体来说，它是指示波器输入信号的幅度衰减到其原始幅度 0.707 倍（即 -3dB）时对应的频率。这意味着，当信号频率接近或达到示波器的带宽极限时，示波器显示的信号幅度会开始显著衰减。

2. 奈奎斯特定理与采样率

示波器观测信号的过程是一个采样过程。根据奈奎斯特定理，为了能够完整地重构一个模拟信号，采样率必须至少是信号最高频率的两倍。对于一个 20MHz 的信号，理论上至少需要 40MS/s (Mega Samples per Second) 的采样率。然而，这仅仅是理论最低要求，为了准确重构波形，实际采样率通常需要远高于此，例如 5 到 10 倍甚至更高。

3. 示波器内部电路对信号的影响

示波器内部的模拟前端电路，包括放大器、滤波器等，都存在一定的频率响应特性。当信号通过这些电路时，其高频分量会受到不同程度的衰减。一个 20MHz 带宽的示波器意味着其高频响应在 20MHz 处开始下降，因此，20MHz 的信号在通过这些电路时，其幅度会比原始信号有所减小，而且下降的幅度与频率更接近带宽极限时会更明显。

4. 探头的损耗

示波器探头也是影响信号测量的关键组件。探头本身也有带宽限制，并且其连接到被测电路上会形成一个负载，这会对高频信号产生影响。一个 10:1 的无源探头在较高频率下，其频率响应也会下降，并且与示波器的带宽共同决定了整个测量系统的有效带宽。

20MHz 带宽示波器观测 20MHz 信号的具体表现

当使用一个 20MHz 带宽的示波器来观测一个 20MHz 的信号时，可能会出现以下情况：

• 幅度衰减： 示波器屏幕上显示的信号幅度会比实际的信号幅度要小。对于 20MHz 的信号，幅度衰减可能在 -3dB 左右，这意味着显示的幅度大约是实际幅度的 70.7%。如果信号本身幅度就很小，或者需要精确测量其幅度，这种衰减就会成为一个问题。
• 波形失真： 信号的高频分量衰减得更多，这可能导致波形的形状发生变化。例如，一个方波信号，其快速上升沿和下降沿包含丰富的高次谐波。当示波器带宽不足时，这些高次谐波会被滤除，导致方波的上升沿和下降沿变得“圆滑”，不再那么陡峭，整体波形失真。对于正弦波，虽然失真可能不那么明显，但仍然可能出现细微的相位偏移或形状变化。
• 相位偏移： 示波器内部电路和探头会对信号产生不同程度的延迟，尤其是在高频段。这会导致显示出来的波形与实际信号在时间轴上发生偏移，即相位偏移。对于需要精确分析信号相位关系的电路，这会带来测量误差。
• 采样率不足的潜在问题： 即使示波器带宽是 20MHz，如果其采样率不足（例如，低于 40MS/s，或者虽然采样率够高，但其内部算法不能很好地重构高频信号），也可能导致波形显示不准确，出现锯齿状或不平滑的波形。

什么时候 20MHz 带宽的示波器“够用”？

尽管存在上述限制，但在某些特定场景下，20MHz 带宽的示波器观测 20MHz 信号可能“够用”：

• 仅需粗略观察波形： 如果您只是想粗略地观察信号是否存在，确认其大概的周期和幅度，而不是进行精确测量，那么 20MHz 的示波器可能勉强可以满足需求。例如，确认一个振荡器是否在工作，输出大致的波形。
• 信号的谐波分量很少： 如果待测信号非常接近纯正弦波，且高次谐波分量非常少，那么 20MHz 带宽的示波器对信号的失真影响会相对较小。
• 作为低频信号的辅助： 在设计中，如果主要关注的是低频信号（例如几MHz以下），而 20MHz 信号只是一个辅助的、或者对其精度要求不高的信号，那么 20MHz 的示波器也可以用来做一些基础的观测。

何时需要更高带宽的示波器？

在以下情况，强烈建议使用带宽远高于 20MHz 的示波器：

• 需要精确测量信号幅度： 任何需要精确知道信号峰峰值、RMS 值等幅度的测量，都要求示波器带宽远高于信号频率，以避免幅度衰减带来的误差。
• 需要分析信号的细节特征： 例如，测量脉冲的上升/下降时间，分析方波的瞬态响应，观察快速开关信号的细节，这些都依赖于示波器能够捕捉到信号的高频成分。
• 进行相位关系测量： 精确测量不同信号之间的相位差，对示波器的带宽和时序精度都有较高要求。
• 分析数字信号： 数字信号的边沿（上升沿和下降沿）包含了丰富的高次谐波，其上升/下降时间通常远小于信号的时钟周期。为了准确观察和测量数字信号的时序参数，示波器的带宽必须远高于信号的最高频率成分。
• 遵循“3倍或5倍规则”： 经验表明，为了获得较为准确的测量结果，示波器的带宽应至少是待测信号最高频率的 3 到 5 倍。对于 20MHz 的信号，这意味着至少需要 60MHz 到 100MHz 的示波器。

选择示波器的建议

当选择示波器时，除了带宽，还需要考虑以下因素：

• 采样率： 确保采样率足够高，通常是信号频率的 5 到 10 倍以上，以准确捕捉波形。
• 分辨率： ADC 的分辨率（位数）决定了示波器能够区分的最小电压变化。更高的分辨率可以提供更精细的测量。
• 触发功能： 强大的触发功能可以帮助用户稳定地捕获感兴趣的信号事件。
• 存储深度： 存储深度决定了示波器可以一次性采集多少个采样点，对于分析长时序的信号非常重要。
• 其他特性： 如 FFT 功能、串行总线解码、自动测量功能等，可以根据实际应用需求选择。

结论

总而言之，一个 20MHz 带宽的示波器能够“看到”一个 20MHz 的信号，但它并不能“准确”地观测它。信号的幅度和波形都会有一定程度的失真和衰减。如果您需要对 20MHz 的信号进行精确的测量和分析，强烈建议您选择一个带宽至少为 60MHz 或 100MHz 的示波器，以确保测量的准确性和可靠性。