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示波器帶寬選擇寶典
2011-12-28
本文由長(zhǎng)沙艾克塞普儀器設(shè)備公司首席應(yīng)用工程師Tony為您提供一些選擇示波器有用的竅門，教您如何為您的數(shù)字和模擬應(yīng)用選擇合適的示波器帶寬。但首先，我們先看看示波器帶寬的定義。
示波器帶寬的定義： 所有示波器都表現(xiàn)出如圖1所示的在較高頻率處滾降的低通頻率響應(yīng)。大多數(shù)帶寬參數(shù)在1GHz及以下的示波器通常表現(xiàn)為高斯響應(yīng)，即具備約從-3dB頻率的三分之一處開始緩慢滾降的特性。而那些帶寬規(guī)格超過1GHz的示波器通常則具備最大平坦頻率響應(yīng)，如圖2所示。這種頻響通常表現(xiàn)為帶內(nèi)響應(yīng)較平緩，而在約-3dB頻率處滾降較陡。
示波器的這兩種頻率響應(yīng)各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。具備最大平坦頻響的示波器比具備高斯頻響的示波器對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的衰減較小，也就是說前者對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的測(cè)量更精確。但具備高斯頻響的示波器比具備最大平坦頻響的示波器對(duì)代外信號(hào)的衰減小，也就是說在同樣的帶寬規(guī)格下，具備高斯頻響的示波器通常具備更快的上升時(shí)間。然而，有時(shí)對(duì)帶外信號(hào)的衰減大有助于消除那些根據(jù)奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)(fMAX 不論您手頭的示波器具備高斯頻響、最大平坦頻響還是介于二者之間，我們都將輸入信號(hào)通過示波器后衰減3dB時(shí)的最低頻率視為該示波器的帶寬。示波器的帶寬和頻響可以利用正弦波信號(hào)發(fā)生器掃頻測(cè)量得到。信號(hào)在示波器-3dB頻率處的衰減轉(zhuǎn)換后可表示為約-30%的幅度誤差。因此，我們不能奢望對(duì)那些主要的頻率成分接近示波器帶寬的信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量。
與示波器帶寬規(guī)格緊密相關(guān)的是其上升時(shí)間參數(shù)。具備高斯頻響的示波器，按照10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)衡量，上升時(shí)間約為0.35/fBW。具備最大平坦頻響的示波器上升時(shí)間規(guī)格一般在0.4/fBW范圍上，隨示波器頻率滾降特性的陡度不同而有所差異。但我們必須記住的是，示波器的上升時(shí)間并非示波器能精確測(cè)量的最快的邊緣速度，而是當(dāng)輸入信號(hào)具備理論上無限快的上升時(shí)間(0ps)時(shí)，示波器能夠得到的最快邊沿速度。盡管實(shí)際上這種理論參數(shù)不可能測(cè)得到，因?yàn)槊}沖發(fā)生器不可能輸出邊沿?zé)o限快的脈沖，但我們可以通過輸入一個(gè)邊沿速度為示波器上升時(shí)間規(guī)格的3到5倍的脈沖來測(cè)量示波器的上升時(shí)間。
數(shù)字應(yīng)用需要的示波器帶寬
經(jīng)驗(yàn)告訴我們，示波器的帶寬至少應(yīng)比被測(cè)系統(tǒng)最快的數(shù)字時(shí)鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，那么該示波器就能以最小的信號(hào)衰減捕捉到被測(cè)信號(hào)的5次諧波。信號(hào)的5次諧波在確定數(shù)字信號(hào)的整體形狀方面非常重要。但如果需要對(duì)高速邊沿進(jìn)行精確測(cè)量，那么這個(gè)簡(jiǎn)單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實(shí)際高頻成分。
公式：fBW≥5xfclk
確定示波器帶寬的一個(gè)更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號(hào)中存在的最高頻率，而不是最大時(shí)鐘速率。數(shù)字信號(hào)的最高頻率要看設(shè)計(jì)中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設(shè)計(jì)中最快的信號(hào)的上升和下降時(shí)間。這一信息通?？蓮脑O(shè)計(jì)中所用器件的公開說明書中獲取。
第一步：確定最快的邊沿速度
然后就可以利用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算信號(hào)的最大“實(shí)際”頻率成分。HowardW.Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數(shù)字設(shè)計(jì)》。在書中，他將這一頻率成分稱為“拐點(diǎn)”頻率(fknee)。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個(gè)拐點(diǎn)(或稱“knee”)，高于該頻率的頻率成分對(duì)于確定信號(hào)的形狀就無關(guān)緊要了。
第二步：計(jì)算fknee
fknee=0.5/RT(10%-90%)
fknee=0.4/RT(20%-80%)
對(duì)于上升時(shí)間特性按照10%到90%閥值定義的信號(hào)而言，拐點(diǎn)頻率fknee等于0.5除以信號(hào)的上升時(shí)間。對(duì)上升時(shí)間特性按照20%到80%閥值定義的信號(hào)而言(如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式)，fknee等于0.4除以信號(hào)的上升時(shí)間。但注意不要把此處的信號(hào)上升時(shí)間與示波器的上升時(shí)間規(guī)格混淆了，我們這里所說的是實(shí)際的信號(hào)邊沿速度。
第三步就是根據(jù)測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間所需的精確程度來確定測(cè)量該信號(hào)所需的示波器帶寬。表1給出了對(duì)于具備高斯頻響或最大平坦頻響的示波器而言，在各種精度要求下需要的示波器帶寬與fknee的關(guān)系。但要記住的是，大多數(shù)帶寬規(guī)格在1GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過1GHz的通常則為最大平坦頻響型的。
表1：根據(jù)需要的精度和示波器頻率響應(yīng)的類型計(jì)算示波器所需帶寬的系數(shù)
第三步：計(jì)算示波器帶寬
下面我們通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行講解：
對(duì)于在測(cè)量500ps上升時(shí)間(10-90%)時(shí)具有正確的高斯頻率響應(yīng)的示波器，確定其所需的最小帶寬；如果信號(hào)的上升/下降時(shí)間約為500ps(按10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)定義)，那么該信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分((fknee)就約為1GHz。
fknee=(0.5/500ps)=1GHz
如果在進(jìn)行上升時(shí)間和下降時(shí)間參數(shù)測(cè)量時(shí)允許20%的定時(shí)誤差，那么帶寬為1GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測(cè)量應(yīng)用的要求。但如果要求定時(shí)精度在3％范圍內(nèi)，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。
20％定時(shí)精度：
示波器帶寬＝1.0x1GHz＝1.0GHz
3％定時(shí)精度：
示波器帶寬＝1.9x1GHz＝1.9GHz
下面我們將用幾個(gè)帶寬不同的示波器對(duì)與該例中的信號(hào)具備類似特性的一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。
不同帶寬示波器對(duì)同一數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)的測(cè)量比較
圖3給出了利用Agilent公司帶寬為100MHz的示波器MSO6014A測(cè)量一個(gè)邊沿速度為500ps(從10%到90%)的100MHz數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)得到的波形結(jié)果。
從圖中可以看出，該示波器主要只通過了該時(shí)鐘信號(hào)的100MHz基本頻率成分，因此，時(shí)鐘信號(hào)顯示出來大約是正弦波的形狀。帶寬為100MHz的示波器對(duì)許多時(shí)鐘速率在10MHz到20MHz范圍的基于MCU的8bit設(shè)計(jì)而言可能非常合適，但對(duì)于這里測(cè)量的100MHz的時(shí)鐘信號(hào)就明顯不夠了。
從圖中可以看出，該示波器最高能捕捉到信號(hào)的5次諧波，這恰好滿足了我們?cè)谇懊娼o出的第一個(gè)經(jīng)驗(yàn)建議。但在我們測(cè)量上升時(shí)間時(shí)發(fā)現(xiàn)，用這臺(tái)示波器測(cè)量得到的上升時(shí)間約為750ps。在這種情況下，示波器對(duì)信號(hào)上升時(shí)間的測(cè)量就不是非常準(zhǔn)確，它得到的測(cè)量結(jié)果實(shí)際上很接近它自己的上升時(shí)間(700ps)，而不是輸入信號(hào)的上升時(shí)間(接近500ps)。這說明，如果時(shí)序測(cè)量比較重要，那么我們就需要用更高帶寬的示波器才能滿足這一數(shù)字測(cè)量應(yīng)用的要求。
換用Agilent1-GHz帶寬的示波器MSO6104A之后，我們得到的信號(hào)圖像(見圖5)就更準(zhǔn)確了。
在示波器中選擇上升時(shí)間測(cè)量后，我們得到的測(cè)量結(jié)果約為550ps。這一測(cè)量結(jié)果的精度約為10%，已經(jīng)非常讓人滿意，尤其在需要考慮示波器資金投入的情況下。但有時(shí)，即便是1GHz帶寬示波器得到的這種測(cè)量結(jié)果也可能被認(rèn)為精度不夠。如果我們要求對(duì)這個(gè)邊沿速度在500ps的信號(hào)達(dá)到3%的邊沿速度測(cè)量精度，那么我們就需要2GHz或更高帶寬的示波器，這一點(diǎn)我們?cè)谇懊娴睦又幸呀?jīng)提到。
換用2GHz帶寬的示波器之后，我們現(xiàn)在看到的(見圖6)就是比較精確的時(shí)鐘信號(hào)，上升時(shí)間測(cè)量結(jié)果約為495ps。
安捷倫Infiniium系列高帶寬示波器有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是帶寬可以升級(jí)。如果2GHz帶寬對(duì)今天的應(yīng)用已經(jīng)足夠，那么您開始可以只購(gòu)買入門級(jí)的2-GHz示波器，以后當(dāng)您需要更高的帶寬時(shí)，再將其逐步升級(jí)到13GHz。
模擬應(yīng)用需要的示波器帶寬
多年之前，大多數(shù)示波器廠商就建議用戶在選擇示波器時(shí)，帶寬至少應(yīng)比最大信號(hào)頻率高3倍。盡管這一“3X”準(zhǔn)則并不適用于以時(shí)鐘速率為基礎(chǔ)的數(shù)字應(yīng)用，但它卻仍然適用于已調(diào)RF信號(hào)測(cè)量等模擬應(yīng)用。為了便于讀者理解這一三倍乘子的來歷，我們來看一個(gè)1GHz帶寬示波器的真正頻率響應(yīng)。
從圖中可以看出，恰好在1GHz處，輸入信號(hào)衰減約為1.7dB，這還遠(yuǎn)未超出定義示波器帶寬的-3dB限。然而，要想精確測(cè)量模擬信號(hào)，我們只能利用示波器帶寬中衰減最小的相對(duì)平坦的那部分頻帶。對(duì)該示波器而言，在其1GHz帶寬的大約三分之一處，輸入信號(hào)基本沒有衰減(衰減為0dB)。但并非所有示波器都具備這樣的頻響。
這正是一個(gè)遠(yuǎn)非平坦頻響的例子。該示波器的頻響既不是高斯頻響也不是最大平坦頻響，反而更像“最大起伏”頻響，而且尖峰現(xiàn)象很嚴(yán)重，這會(huì)導(dǎo)致波形嚴(yán)重失真，不論測(cè)量的是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)。不幸的是，示波器的帶寬規(guī)范(即輸入信號(hào)衰減為3dB的頻率)中對(duì)在其他頻率上的信號(hào)衰減或放大沒有任何規(guī)定。在這臺(tái)示波器上，即便是在示波器帶寬的五分之一處，信號(hào)也有大約1dB(10%)的衰減。因此，在這種情況下再根據(jù)3X準(zhǔn)則選擇示波器就很不明智了。所以，在挑選示波器時(shí)，最好是選擇著名廠商的產(chǎn)品，而且要密切注意示波器頻響的相對(duì)平坦度。
本文小結(jié)
總的來說，對(duì)數(shù)字應(yīng)用而言，示波器帶寬至少應(yīng)比被測(cè)設(shè)計(jì)的最快時(shí)鐘速率快5倍。但在需要精確測(cè)量信號(hào)的邊沿速度時(shí)，則要根據(jù)信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分來決定示波器帶寬。
對(duì)模擬應(yīng)用而言，示波器帶寬至少應(yīng)比被測(cè)設(shè)計(jì)中的模擬信號(hào)最高頻率高3倍，但這一經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則只適用于那些在低頻段上頻響相對(duì)平坦的示波器。
而且我們選擇示波器時(shí)也不能只顧眼前，不管將來。只要預(yù)算允許，在今天購(gòu)買稍優(yōu)于應(yīng)用最低要求的示波器可能會(huì)在將來為您節(jié)約不少投資。
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