新員工培訓(xùn)-示波器帶寬

1、帶寬被稱為示波器的第一指標(biāo)，也是示波器最值錢的指標(biāo)。 示波器市場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候，首先要確定的也是帶寬。在銷售過程中，關(guān)于帶寬的故事也特別多。通常談到的帶寬沒有特別說明是指示波器模擬前端放大器的帶寬，也就是常說的-3dB 截止頻率點。 此外，還有數(shù)字帶寬，觸發(fā)帶寬的概念。常說數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲（Capture），觀察（View），測量(Measurment)，分析（原理框圖如圖 1 所示。yse）和歸檔（）。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電路組成，即放大器，A/D，器和觸發(fā)器電路，原理框圖如下圖 2 所示。被

2、測信號首先經(jīng)過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分割成一個個獨立的采樣電平，ADC 將這些電平轉(zhuǎn)化成數(shù)字的采樣點，這些數(shù)字采樣點保存在器里送顯示和測量分析處理。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。這個電路在模擬電路的教科書上處處可見。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波特圖如圖 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，知道帶寬 f2 即輸出電壓降低到輸入電壓 70.7%時的頻率點。根據(jù)放大器的等效模型

3、，可進(jìn)一步推導(dǎo)示波器的上升時間和帶寬的關(guān)系式，即常提到的 0.35 的關(guān)系：上升時間=0.35/帶寬，推導(dǎo)過程如下圖 6 所示。需要說明的是，0.35 是基于響應(yīng)的理論值，實際測量系統(tǒng)中這個數(shù)值往往介于 0.35-0.45 之間。在示波器的 datasheet 上都會標(biāo)明“上升時間”指標(biāo)。示波器測量出來的上升時間與真實的上升時間之間存在下面的關(guān)系式。在對快沿信號測試中，需要通過該關(guān)系式來修正實際被測信號的上升時間。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波特圖是新示波器發(fā)布的“出生證”。

4、示波器每年需要進(jìn)行校準(zhǔn)，波特圖是第一需要校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。示波器波特圖的測量方法如圖 7 所示。信號源從 10MHz 頻率開始逐漸遞增發(fā)送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器將輸入的信號能量等分為二后通過等長的線纜分別送到示波器和功率計。功分器和線纜是無源器件，可以嚴(yán)格定標(biāo)，信號源本身的幅頻特性不可以作為定標(biāo)儀器，需要通過功率計實測的能量來作為示波器的輸入幅值的定標(biāo)值。有時候客戶會對示波器的波特圖很感，直接用信號源連接到示波器來評估示波器的波特圖，在帶寬超過 1GHz 時這種方法是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。需要用功率計來作為定?biāo)工具！ 2006 年二月份的 EDN 雜志中有文章介紹./article/CA63053

5、48.html#Calibrating此外，在計量波特圖時需要對示波器每個檔位都進(jìn)行計量,最終產(chǎn)生的波特圖是所有檔位的結(jié)果疊加在一起的。波特圖的計量是需要半天時間完成的，并不是想象中那么輕松的工作。如圖 8 所示是力科SDA9000 的波特圖,我特地將 Excel 中大量數(shù)據(jù)顯示給大家以使大家對校準(zhǔn)的嚴(yán)謹(jǐn)性有深刻認(rèn)識。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-10dB/div、只有一個檔位的。很多時候，的競爭對手會把他們的波特圖畫成拿給客戶，并和力科提供的這種-1dB/div、各種

6、檔位疊在一起顯示的結(jié)果放在一起進(jìn)行對比，然后他們告訴客戶，他們的波特圖更平坦，更干凈，甚至將力科波特圖上面密密麻麻的點說成是“噪音”大。這是有點貽笑天下的。競爭對手敢于一再采用這種做法，這是假設(shè)中國的工程師都沒有辨別力，獨立思考能力，是對工程師嚴(yán)重不尊重的公然行為。希望能引起大家注意。圖 7，示波器波特圖的計量方法圖 8，示波器實際的波特圖關(guān)于帶寬的更深入，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)白皮書中對此有非常詳細(xì)的解釋。htt/tm/Library/WhitePrs/PDF/Eye_Patterns_in_Scopes-designcon_2005.pdf明者)(

7、這份白皮書的第一作者 Peter 是 DSP帶寬，Eye Dcotor 和 DBI 等技術(shù)的發(fā)知道，帶寬的限制對信號的捕獲會帶來下面的影響：1，使被測信號的上升沿變緩。2，使信號的頻率分量減少。3，使信號的相位失真。那么，“對于 5MHz 的時鐘信號，需要用多少帶寬的示波器來測量？”這是我在培訓(xùn)時常問的一個問題。我很少能得到令我滿意的，很少有工程師反問我：“這 5MHz 的時鐘信號是還是正弦波，如果是，其上升時間是多少？”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信號頻率的 3-5 倍，100MHz 余量很大了?！眻D 13 顯示了 5MHz 的信號在不同帶寬時測試出的

8、波形。其中，M1 和 M2 是分別在 6GHz 和 1GHz 時波形，C3 是帶寬限制到 200MHz 的。 圖14 顯示在帶寬限制到 200MHz 時測量出的 5MHz 的上升時間均值為本 1.70357ns，而圖 15 顯示的是在 6GHz 帶寬時的上升時間為 873.87ps。這表明，對于 5MHz 的時鐘，因為其上升時間比較快，最好用 1GHz 以上帶寬的示波器來測量其上升時間，200MHz 時其上升沿變緩; 1GHz 帶寬和 6GHz帶寬對于測試 800ps 的上升時間結(jié)果幾乎一樣。圖 13，5MHz 時鐘信號在 6GHz、1GHz 和 200MHz 等不同帶寬時的測試波形對比圖 1

9、4，帶寬限制到 200MHz 時測量 5MHz 時鐘上升時間圖 15，6GHz 帶寬時測量 5MHz 時鐘上升時間對于 USB2.0 信號的測試，需要多少帶寬？對于 PCI-E G2 信號的測試需要多少帶寬？對于電源測試，需要多少帶寬？對于1000Base-T 信號的測試，需要多少帶寬？對于10Gbps 的背板測試，需要多少帶寬？常要回答這些問題。下面的三條規(guī)則就是的回答。1， 首先取決于您需要測試的信號類型及您希望的測試準(zhǔn)確度。2， 對信號，最重要的是上升時間。任何一信號都可以通過變換分解成N 次的諧波能量之和。N 等于多少時，被測信號的能量就接近為零？這取決于上升時間！這在 Peter 的

10、白皮書中也有非常詳細(xì)。3， 對串行數(shù)據(jù)信號而言，數(shù)據(jù)比特率和上升時間是最重要的兩個。有一個非常好的評估準(zhǔn)則是：示波器的帶寬 1.8 X 信號比特率.關(guān)系的帶寬能捕獲信號能量的 99%.在這個準(zhǔn)則下，如果被測信號的上升時間20%UI,那么 1.8下面的圖表給出了不同的上升時間和帶寬之間的關(guān)系?；谏厦娴脑瓌t就很好理解為什么有些客戶會用 6GHz 的示波器測試 100MHz 的時鐘，但又用 6GHz的示波器測試 3.125Gbps 的 XAUI 信號。請大家忘記所謂的 3-5 倍這個關(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故事：大家知道，對于 USB2.0 一致性測試，USB-IF 規(guī)

11、范一開始要求的帶寬是 4GHz 的示波器，因為那時候是只有一家示波器公司先發(fā)布這個測試軟件包。所以那時候 USB2.0 很火的時候，這家公司的 4GHz 示波器很火，但等到其他兩家的USB2.0 都發(fā)布的時候，USB-IF 把這個規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)降為2.5GHz 的示波器，但等到另外一個非主流的第四家示波器廠商也搞出USB2.0 的軟件包的時候，USB-IF 把這家 1.5GHz 帶寬的示波器也認(rèn)了。這其實只是說明了這家公司的能力蠻強(qiáng)的，也說明國外的標(biāo)準(zhǔn)組織也是講政治的。對于 USB2.0 信號的測試，多少帶寬的示波器的合適的呢？如果您有錢投資，買 4GHz 或 6GHz 當(dāng)然更好，低頻段幅頻特性的平

12、坦度總會好些嘛。但是需要做負(fù)責(zé)任的投資的，僅僅為測試 USB.20 而4GHz 以上的示波器畢竟是對公司很不負(fù)責(zé)任的投資知道，USB2.0 high speed 的信號速率是 480Mbps，1UI 大約等于 2ns，20%UI大約等于 400ps，USB 上升時間最小值是 500ps。對于 USB管腳的信號，其上升時間可能為500ps，對于系統(tǒng)級應(yīng)用，示波器測試到的 USB2.0 的 high speed 信號通常都是從 USB輸出管腳經(jīng)過了一段 PCB 走線和一段 USB 連接線，示波器測試出來的上升時間很多時候都超過了 1ns!圖 13 的例子已清楚表明對于 800ps 上升時間，1GHz 和 6GHz 帶寬測量結(jié)果幾乎是完全一致。不太愿意因此，用 1GHz 的示波器就可以滿足系統(tǒng)級應(yīng)用中USB2.0