- 示波器帶寬的原理
- 示波器帶寬在測試中的應(yīng)用
- 工程師在選擇示波器的時(shí)候，如何確定帶寬？
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(diǎn)。 此外，還有數(shù)字帶寬，觸發(fā)帶寬的概念。
我們常說數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲（Capture），觀察（View），測量(Measurement)，分析（Analyse）和歸檔（Document）。 這五大功能組成的原理框圖如圖1所示。
圖1，數(shù)字示波器的原理框圖
捕獲部分主要是由三顆芯片和一個(gè)電路組成，即放大器芯片，A/D芯片，存儲(chǔ)器芯片和觸發(fā)器電路，原理框圖如下圖2所示。被測信號(hào)首先經(jīng)過探頭和放大器及歸一化后轉(zhuǎn)換成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)獨(dú)立的采樣電平，ADC將這些電平轉(zhuǎn)化成數(shù)字的采樣點(diǎn)，這些數(shù)字采樣點(diǎn)保存在采集存儲(chǔ)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(gè)電路在模擬電路教科書中處處可見。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
圖5，放大器的理想波特圖
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)過程如下圖6所示。 需要說明的是，0.35是基于高斯響應(yīng)的理論值，實(shí)際測量系統(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)。 示波器測量出來的上升時(shí)間與真實(shí)的上升時(shí)間之間存在下面的關(guān)系式。 在對(duì)快沿信號(hào)測試中，需要通過該關(guān)系式來修正實(shí)際被測信號(hào)的上升時(shí)間。
Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2
圖6，示波器上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系
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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”。 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(hào)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(hào)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(jì)。 功分器和線纜是無源器件，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，需要通過功率計(jì)實(shí)測的能量來作為示波器的輸入幅值的定標(biāo)值。 有時(shí)候客戶會(huì)對(duì)示波器的波特圖很感興趣，直接用信號(hào)源連接到示波器來評(píng)估示波器的波特圖，在帶寬超過1GHz時(shí)這種方法是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｐ枰霉β视?jì)來作為定標(biāo)工具！ 2006年二月份的EDN雜志中有文章介紹。http://www.edn.com/article/CA6305348.html#Calibrating
此外，在計(jì)量波特圖時(shí)需要對(duì)示波器每個(gè)檔位都進(jìn)行計(jì)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(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。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(duì)校準(zhǔn)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等檔位的測試結(jié)果。 很多時(shí)候，我們的競爭對(duì)手會(huì)把他們的波特圖畫成-10dB/div、只有一個(gè)檔位的測試結(jié)果拿給客戶，并和力科提供的這種-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，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(diǎn)說成是“噪音”大。這是有點(diǎn)貽笑天下的。 競爭對(duì)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(dú)立思考能力，是對(duì)工程師嚴(yán)重不尊重的公然欺騙行為。希望能引起大家注意。
圖7，示波器波特圖的計(jì)量方法
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。力科的一
篇技術(shù)白皮書中對(duì)此有非常詳細(xì)的解釋。 http://www.lecroy.com/tm/Library/WhitePapers/PDF/Eye_Patterns_in_Scopes-designcon_2005.pdf (這份白皮書的第一作者Peter是DSP提升帶寬，Eye Dcotor和DBI等原創(chuàng)技術(shù)的發(fā)明者)
現(xiàn)在業(yè)界有三種幅頻特性曲線，分別代表了三個(gè)品牌:Gaussian( 泰克）, 4th oder Bessel (力科)和Maximally Flat（安捷倫）。
Gaussian響應(yīng)在-3dB之后仍衰減很慢。其優(yōu)點(diǎn)是允許被測信號(hào)的更高頻率成分的諧波能量通過放大器（這是假定其有采樣率遠(yuǎn)超過Nyquist），對(duì)于特別快的快沿測量有幫助。其缺點(diǎn)是在低頻段使被測信號(hào)嚴(yán)重衰減，特別是對(duì)3次諧波的衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致眼圖測量中產(chǎn)生"花生眼"。
Maximally Flat響應(yīng)或者說矩形響應(yīng)似乎是最接近我們教科書上對(duì)幅頻特性的定義。但幅頻特性接近理想狀況并不意味著是最適合用于示波器的放大器前端。其對(duì)于帶寬范圍內(nèi)的正弦波測量有優(yōu)勢，但由于實(shí)際測量信號(hào)多是方波信號(hào)，矩形響應(yīng)對(duì)于超過帶寬范圍內(nèi)的高次諧波完全消除掉，會(huì)帶來嚴(yán)重的相位失真。假想您購買的1GHz示波器是用于200MHz的信號(hào)測量，矩形響應(yīng)會(huì)將５次諧波以上的能量完全消除掉。這對(duì)于上升沿比較快的脈沖信號(hào)測量是有問題的?！?br />
力科的 4th oder Bessel 響應(yīng)曲線是對(duì)前兩種的折衷考慮。它在頻率含量最豐富的3次諧波含量衰減很小，在接近帶寬的頻段的相位信息沒有失真。這對(duì)于串行信號(hào)測量是非常完美的幅頻特性曲線。
下面圖9是用力科采樣示波器WE100H測量的5Gbps眼圖，因?yàn)椴蓸邮静ㄆ鲙捀撸胍粜?，A/D位數(shù)高，可作為周期重復(fù)性信號(hào)的眼圖測量的標(biāo)準(zhǔn)。 圖10是用力科SDA1100測量的5Gbps眼圖。 圖11是用其它品牌的12GHz示波器測量的5Gbps眼圖。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，12GHz帶寬測量的眼圖有“花生眼”出現(xiàn)。圖12可以一目了然揭示出“花生眼”產(chǎn)生的原因，5Gbps串行信號(hào)的三次諧波是7.5GHz，高斯響應(yīng)曲線在3次諧波處的衰減很大。
圖8，示波器實(shí)際的波特圖真相
圖12，不同幅頻特性曲線的對(duì)比
我們知道，帶寬的限制對(duì)信號(hào)的捕獲會(huì)帶來下面的影響：1，使被測信號(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測量？” 這是我在培訓(xùn)時(shí)常問的一個(gè)問題。我很少能得到令我滿意的答案，很少有工程師反問我：“這5MHz的時(shí)鐘信號(hào)是方波還是正弦波，如果是方波，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信號(hào)頻率的3-5倍，100MHz余量很大了。” 圖13顯示了5MHz的方波信號(hào)在不同帶寬時(shí)測試出的波形。其中，M1和M2是分別在6GHz和1GHz時(shí)波形，C3是帶寬限制到200MHz的測試結(jié)果。 圖14顯示在帶寬限制到200MHz時(shí)測量出的5MHz的上升時(shí)間均值為本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以上帶寬的示波器來測量其上升時(shí)間，200MHz時(shí)其上升沿變緩; 1GHz帶寬和6GHz帶寬對(duì)于測試800ps的上升時(shí)間結(jié)果幾乎一樣。
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對(duì)于USB2.0信號(hào)的測試，需要多少帶寬？ 對(duì)于PCI-E G2信號(hào)的測試需要多少帶寬？ 對(duì)于電源測試，需要多少帶寬？ 對(duì)于1000Base-T信號(hào)的測試，需要多少帶寬？對(duì)于10Gbps的背板測試，需要多少帶寬？ …… 我們常要回答這些問題。 下面的三條規(guī)則就是我們的回答。
1， 首先取決于您需要測試的信號(hào)類型及您希望的測試準(zhǔn)確度。
2， 對(duì)方波信號(hào)，最重要的因素是上升時(shí)間。 任何一方波信號(hào)都可以通過傅立葉變換分解成N次的諧波能量之和。N等于多少時(shí)，被測信號(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。
圖13，5MHz時(shí)鐘信號(hào)在6GHz、1GHz和200MHz等不同帶寬時(shí)的測試波形對(duì)比
圖14，帶寬限制到200MHz時(shí)測量5MHz時(shí)鐘上升時(shí)間
圖15，6GHz帶寬時(shí)測量5MHz時(shí)鐘上升時(shí)間
基于上面的原則，我們就很好理解為什么有些客戶會(huì)用6GHz的示波器測試100MHz的時(shí)鐘，但又用6GHz的示波器測試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USB2.0一致性測試，USB-IF規(guī)范一開始要求的帶寬是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USB2.0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)只是說明了這家公司的公關(guān)能力蠻強(qiáng)的，也說明國外的權(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，僅僅為測試USB.20而購買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芯片管腳的信號(hào)，其上升時(shí)間可能為500ps，對(duì)于系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用，示波器測試到的USB2.0的high speed信號(hào)通常都是從USB芯片輸出管腳經(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(shí)間很多時(shí)候都超過了1ns! 圖13的例子已清楚表明對(duì)于800ps上升時(shí)間，1GHz和6GHz帶寬測量結(jié)果幾乎是完全一致。 因此，用1GHz的示波器就可以滿足系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中USB2.0 high speed的測試。 但我們不太愿意推薦1GHz的示波器用于USB2.0 high speed的測試，因?yàn)閁SB-IF規(guī)范上并沒有這樣推薦，我們很難去說明工程師接受不符合規(guī)范的帶寬。 圖16和圖17是我們測試某品牌臺(tái)式機(jī)USB端口時(shí)，將帶寬設(shè)為4GHz和1GHz時(shí)的上升時(shí)間對(duì)比，只相差30ps左右。 我用的連接電腦和夾具之間的連接線很短，只有十幾厘米，如果用長的USB線纜，上升時(shí)間更大。
如果您有關(guān)于帶寬方面的問題，歡迎與我聯(lián)系 frankie.wang@lecroy.com
圖16，1GHz帶寬時(shí)測試USB2.0 high speed信號(hào)的上升時(shí)間
圖17，3GHz帶寬時(shí)測試USB2.0 high speed信號(hào)的上升時(shí)間
