小班特訓(xùn)信號(hào)示波器篇帶寬

1、帶寬被稱(chēng)為示波器的第一指標(biāo)，也是示波器最值錢(qián)的指標(biāo)。 示波器市場(chǎng)的劃分常以帶寬作為首要依據(jù)，工程師在選擇示波器的時(shí)候，首先要確定的也是帶寬。 在銷(xiāo)售過(guò)程中，關(guān)于帶寬的故事也特別多。通常談到的帶寬沒(méi)有特別說(shuō)明是指示波器模擬前端放大器的帶寬，也就的-3dB 截止頻率點(diǎn)。 此外，還有數(shù)字帶寬，觸發(fā)帶寬的概念。是我們數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲（Capture），觀察（View），測(cè)量(Measurment)，分析（Analyse）和歸檔（Document）。原理框圖如圖 1 所示。這五大功能組成的圖 1，數(shù)字示波器的原理框圖捕獲部分主要是由三顆和一個(gè)電路組成，即放大器，A/D，器和觸發(fā)器電路，原理框

2、圖如下圖 2 所示。被測(cè)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)探頭和放大器及歸一化后成 ADC 可以接收的電壓范圍，采樣和保持電路按固定采樣率將信號(hào)分割成一個(gè)個(gè)字采樣點(diǎn)保的采樣電平，ADC 將這些電平轉(zhuǎn)化成數(shù)字的采樣點(diǎn)，這些數(shù)器里送顯示和測(cè)量分析處理。圖 2，示波器捕獲電路原理框圖示波器放大器的典型電路如圖 3 所示。這個(gè)電路在模擬電路的教科書(shū)上處處可見(jiàn)。這種放大器可以等效為 RC 低通濾波器如圖 4 所示。由此等效電路推導(dǎo)出輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系，得出理想的幅頻特性的如圖 5 所示。圖 3，放大器的典型電路圖 4，放大器的等效電路模型至此，我們知道帶寬 f2 即輸出電壓降低到輸入電壓 70.7%時(shí)的頻率點(diǎn)。根據(jù)放大

3、器的等效模型，我們可進(jìn)一步推導(dǎo)示波器的上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系式，即我們常提到的 0.35 的關(guān)系：上升時(shí)間=0.35/帶寬，推導(dǎo)過(guò)程如下圖 6 所示。需要說(shuō)明的是，0.35 是基于響應(yīng)的理論值，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中這個(gè)數(shù)值往往介于 0.35-0.45 之間。在示波器的 datasheet 上都會(huì)標(biāo)明“上升時(shí)間”指標(biāo)。示波器測(cè)量出來(lái)的上升時(shí)間與真實(shí)的上升時(shí)間之間上升時(shí)間。下面的關(guān)系式。在對(duì)快沿信號(hào)測(cè)試中，需要通過(guò)該關(guān)系式來(lái)實(shí)際被測(cè)信號(hào)的Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2示波器前端放大器幅頻特性的是新示波器發(fā)布的“出生

4、證”。示波器每年需要進(jìn)行校準(zhǔn)，是第一需要校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。示波器的測(cè)量方法如圖 7 所示。信號(hào)源從 10MHz 頻率開(kāi)始逐漸遞增一定幅值的正弦波送到功分器，功分器將輸入的信號(hào)能量等分為二后通過(guò)等長(zhǎng)的線纜分別送到示波器和功率計(jì)。功分器和線纜是無(wú)源器件，可以嚴(yán)格定標(biāo)，信號(hào)源本身的幅頻特性不可以作為定標(biāo)儀器，需要通過(guò)功率計(jì)實(shí)測(cè)的能量來(lái)作為示波器的輸入幅值的定標(biāo)值。有時(shí)候客戶(hù)會(huì)對(duì)示波器的很感，直接用信號(hào)源連接到示波器來(lái)評(píng)估示波器的，在帶寬超過(guò) 1GHz 時(shí)這種方法是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｐ枰霉β式B.作為定標(biāo)工具！2006 年二月份的 EDN 雜志中有文章介此外，在計(jì)量位的結(jié)果疊加在一起的。時(shí)需要對(duì)示波器每個(gè)檔位都進(jìn)

5、行計(jì)量,最終產(chǎn)生的是所有檔的計(jì)量是需要半天時(shí)間完成的，并不是想象中那么輕松的工作。,我特地將 Excel 中大量數(shù)據(jù)顯示給大家以使大家對(duì)校準(zhǔn)的如圖 8 所示是SDA9000 的嚴(yán)謹(jǐn)性有深刻認(rèn)識(shí)。其垂直軸是-1dB/div, 疊加了 10mv/div、20mv/div、50mv/div、200mv/div、500mv/div、1v/div 等檔位的測(cè)試結(jié)果。很多時(shí)候，我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手會(huì)把他們的畫(huà)成-10dB/div、只有一個(gè)檔位的測(cè)試結(jié)果拿給客戶(hù)，并和提供的這種-1dB/div、各種檔位疊在一起顯示的結(jié)果放在一起進(jìn)行對(duì)比，然后他們告訴客戶(hù)，他們的更平坦，更干凈，甚至將上面密密麻麻的點(diǎn)說(shuō)“噪音”大。

6、這是有點(diǎn)貽笑天下的。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手敢于一再采用這種做法，這是假設(shè)中國(guó)的工程師都沒(méi)有辨別力，行為。希望能引起大家注意。思考能力，是對(duì)工程師嚴(yán)重不尊重的公然圖 7，示波器的計(jì)量方法圖 8，示波器實(shí)際的關(guān)于帶寬的更深入討論，我們需要談到示波器前端放大器幅頻特性的平坦度和滾降特性。 的一篇技術(shù)白皮書(shū)中對(duì)此有非常詳細(xì)的解釋。005.pdf我們知道，帶寬的限制對(duì)信號(hào)的捕獲會(huì)帶來(lái)下面的影響：1，使被測(cè)信號(hào)的上升沿變緩。2，使信號(hào)的頻率分量減少。3，使信號(hào)的相位失真。那么，“對(duì)于 5MHz 的時(shí)鐘信號(hào)，需要用多少帶寬的示波器來(lái)測(cè)量？”這是我在培訓(xùn)時(shí)常問(wèn)的一個(gè)問(wèn)題。我很少能得到令我滿(mǎn)意的，很少有工程師反問(wèn)我：“這 5

7、MHz 的時(shí)鐘信號(hào)是還是正弦波，如果是，其上升時(shí)間是多少？”我常得到的回答是，“100MHz 帶寬就足夠了，示波器帶寬通常是被測(cè)信號(hào)頻率的 3-5 倍，100MHz 余量很大了。”圖 13 顯示了 5MHz 的信號(hào)在不同帶寬時(shí)測(cè)試出的波形。其中，M1 和 M2 是分別在 6GHz 和 1GHz 時(shí)波形，C3 是帶寬限制到 200MHz 的測(cè)試結(jié)果。 圖14 顯示在帶寬限制到 200MHz 時(shí)測(cè)量出的 5MHz 的上升時(shí)間均值1.70357ns，而圖 15 顯示的是在 6GHz 帶寬時(shí)的上升時(shí)間為 873.87ps。這表明，對(duì)于 5MHz 的時(shí)鐘，因?yàn)槠渖仙龝r(shí)間比較快，最好用 1GHz 以上帶寬

8、的示波器來(lái)測(cè)量其上升時(shí)間，200MHz 時(shí)其上升沿變緩;帶寬對(duì)于測(cè)試 800ps 的上升時(shí)間結(jié)果幾乎一樣。1GHz 帶寬和 6GHz圖 13，5MHz 時(shí)鐘信號(hào)在 6GHz、1GHz 和 200MHz 等不同帶寬時(shí)的測(cè)試波形對(duì)比圖 14，帶寬限制到 200MHz 時(shí)測(cè)量 5MHz 時(shí)鐘上升時(shí)間圖 15，6GHz 帶寬時(shí)測(cè)量 5MHz 時(shí)鐘上升時(shí)間對(duì)于 USB2.0 信號(hào)的測(cè)試，需要多少帶寬？對(duì)于 PCI-E G2 信號(hào)的測(cè)試需要多少帶寬？對(duì)于電源測(cè)試，需要多少帶寬？對(duì)于1000Base-T 信號(hào)的測(cè)試，需要多少帶寬？對(duì)于10Gbps 的背板測(cè)試，需要多少帶寬？ 我們常要回答這些問(wèn)題。下面的三條

9、規(guī)則就是我們的回答。1， 首先取決于您需要測(cè)試的信號(hào)類(lèi)型及您希望的測(cè)試準(zhǔn)確度。2， 對(duì)信號(hào)，最重要的因素是上升時(shí)間。任何一信號(hào)都可以通過(guò)變換分解成 N 次的諧波能量之和。N 等于多少時(shí)，被測(cè)信號(hào)的能量就接近為零？這取決于上升時(shí)間！這在 Peter 的白皮書(shū)中也有非常詳細(xì)討論。3， 對(duì)串行數(shù)據(jù)信號(hào)而言，數(shù)據(jù)比特率和上升時(shí)間是最重要的兩個(gè)因素。有一個(gè)非常好的評(píng)估準(zhǔn)則是：示波器的帶寬 > 1.8 X 信號(hào)比特率. 在這個(gè)準(zhǔn)則下，如果被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間>20%UI,那么 1.8關(guān)系的帶寬能捕獲信號(hào)能量的 99%.下面的圖表給出了不同的上升時(shí)間和帶寬之間的關(guān)系?；谏厦娴脑瓌t，我們就很好理解

10、為什么有些客戶(hù)會(huì)用 6GHz 的示波器測(cè)試 100MHz 的時(shí)鐘，但又用 6GHz的示波器測(cè)試 3.125Gbps 的XAUI 信號(hào)。請(qǐng)大家忘記所謂的 3-5 倍這個(gè)關(guān)系，太不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋磉_(dá)了！關(guān)于帶寬，我常喜歡講下面這個(gè)故事：大家知道，對(duì)于 USB2.0 一致性測(cè)試，USB-IF 規(guī)范一開(kāi)始要求的帶寬是 4GHz 的示波器，因?yàn)槟菚r(shí)候是只有一家示波器公司先發(fā)布這個(gè)測(cè)試軟件包。所以那時(shí)候 USB2.0 很火的時(shí)候，這家公司的 4GHz 示波器很火，但等到其他兩家的 USB2.0 都發(fā)布的時(shí)候，USB-IF 把這個(gè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)降為2.5GHz 的示波器，但等到另外一個(gè)非主流的第四家示波器廠商也搞出USB

11、2.0 的軟件包的時(shí)候，USB-IF 把這家 1.5GHz 帶寬的示波器也認(rèn)了。這其實(shí)只是說(shuō)明了這家公司的能力蠻強(qiáng)的，也說(shuō)明國(guó)外的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)組織也是講政治的。對(duì)于 USB2.0 信號(hào)的測(cè)試，多少帶寬的示波器的合適的呢？如果您有錢(qián)投資，買(mǎi) 4GHz 或 6GHz 當(dāng)然更好，低頻段幅頻特性的平坦度總會(huì)好些嘛。但我們是需要做負(fù)責(zé)任的投資的，僅僅為測(cè)試 USB.20 而4GHz 以上的示波器畢竟是對(duì)公司很不負(fù)責(zé)任的投資。我們知道，USB2.0 high speed 的信號(hào)速率是 480Mbps，1UI 大約等于 2ns，20%UI大約等于 400ps，USB 上升時(shí)間最小值是 500ps。對(duì)于 USB管腳的信號(hào)，其上升時(shí)間可能為500ps，對(duì)于系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用，示波器測(cè)試到的 USB2.0 的 high speed 信號(hào)通常都是從 USB輸出管腳經(jīng)過(guò)了一段PCB 走線和一段USB 連接線，示波器測(cè)試出來(lái)的上升時(shí)間很多時(shí)候都超過(guò)了 1ns!圖 13 的例子已清楚表明對(duì)于 800ps 上升時(shí)間，1GHz 和 6GHz 帶寬測(cè)量結(jié)果幾乎是完全一致。因此，用 1GHz 的示波器就可以滿(mǎn)足系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中 USB2.0 high speed 的測(cè)試。但我們不太愿