測試竅門：選擇合適的示波器帶寬

關(guān)鍵字：示波器帶寬

帶寬是大多數(shù)工程師在選擇一款示波器時首先考慮的參數(shù)。本文將為您提供一些有用的竅門，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1 GHz及以下的示波器通常表現(xiàn)為高斯響應(yīng)，即具備約從-3 dB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1 GHz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-3 dB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帶內(nèi)信號的衰減較小，也就是說前者對帶內(nèi)信號的測量更精確。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代外信號的衰減小，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間。然而，有時對帶外信號的衰減大有助于消除那些根據(jù)奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)(fMAX fS)可能造成混迭的高頻成分。關(guān)于奈奎斯特采樣理論更深入的探討，請參看安捷倫應(yīng)用筆記1587(Agilent Application Note 1587) 。

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，我們都將輸入信號通過示波器后衰減3 dB時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發(fā)生器掃頻測量得到。信號在示波器-3dB頻率處的衰減轉(zhuǎn)換后可表示為約-30%的幅度誤差。因此，我們不能奢望對那些主要的頻率成分接近示波器帶寬的信號進(jìn)行精確測量。
與示波器帶寬規(guī)格緊密相關(guān)的是其上升時間參數(shù)。具備高斯頻響的示波器，按照10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)衡量，上升時間約為0.35/fBW。具備最大平坦頻響的示波器上升時間規(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，示波器的上升時間并非示波器能精確測量的最快的邊緣速度，而是當(dāng)輸入信號具備理論上無限快的上升時間(0 ps)時，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邊沿速度為示波器上升時間規(guī)格的3到5倍的脈沖來測量示波器的上升時間。

圖1：低通頻率響應(yīng)

圖2：最大平坦頻率響應(yīng)

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)比被測系統(tǒng)最快的數(shù)字時鐘速率高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衰減捕捉到被測信號的5次諧波。信號的5次諧波在確定數(shù)字信號的整體形狀方面非常重要。但如果需要對高速邊沿進(jìn)行精確測量，那么這個簡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 ≥ 5 x fclk

確定示波器帶寬的一個更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號中存在的最高頻率，而不是最大時鐘速率。數(shù)字信號的最高頻率要看設(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)中最快的信號的上升和下降時間。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簡單的公式計(jì)算信號的最大“實(shí)際”頻率成分。Howard W. 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，但其中有一個拐點(diǎn)(或稱“knee”)，高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀就無關(guān)緊要了。

第二步：計(jì)算fknee

fknee = 0.5/RT (10% - 90%)

fknee = 0.4/RT (20% - 80%)

對于上升時間特性按照10% 到90%閥值定義的信號而言，拐點(diǎn)頻率fknee等于0.5除以信號的上升時間。對上升時間特性按照20% 到80%閥值定義的信號而言(如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式)，fknee等于0.4除以信號的上升時間。但注意不要把此處的信號上升時間與示波器的上升時間規(guī)格混淆了，我們這里所說的是實(shí)際的信號邊沿速度。

第三步就是根據(jù)測量上升時間和下降時間所需的精確程度來確定測量該信號所需的示波器帶寬。表1給出了對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1 GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過1 GHz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

下面我們通過一個簡單的例子進(jìn)行講解：

對于在測量500ps上升時間(10-90%)時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；如果信號的上升/下降時間約為500ps(按10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)定義)，那么該信號的最大實(shí)際頻率成分((fknee)就約為1 GHz。

fknee = (0.5/500ps) = 1 GHz

如果在進(jìn)行上升時間和下降時間參數(shù)測量時允許20%的定時誤差，那么帶寬為1 GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測量應(yīng)用的要求。但如果要求定時精度在3％范圍內(nèi)，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。

20％定時精度：

示波器帶寬＝1.0x1GHz＝1.0GHz

3％定時精度：

示波器帶寬＝1.9x1GHz＝1.9GHz

下面我們將用幾個帶寬不同的示波器對與該例中的信號具備類似特性的一個數(shù)字時鐘信號進(jìn)行測量。

不同帶寬示波器對同一數(shù)字時鐘信號的測量比較

圖3給出了利用Agilent 公司帶寬為100MHz的示波器 MSO6014A測量一個邊沿速度為500ps(從10%到90%)的100MHz數(shù)字時鐘信號得到的波形結(jié)果。

圖3

從圖中可以看出，該示波器主要只通過了該時鐘信號的100MHz基本頻率成分，因此，時鐘信號顯示出來大約是正弦波的形狀。帶寬為100MHz的示波器對許多時鐘速率在10MHz 到 20MHz 范圍的基于MCU的8bit設(shè)計(jì)而言可能非常合適，但對于這里測量的100MHz的時鐘信號就明顯不夠了。

圖4給出了利用Agilent公司500MHz帶寬的示波器MSO6054A測量同一信號的結(jié)果。

圖4

從圖中可以看出，該示波器最高能捕捉到信號的5次諧波，這恰好滿足了我們在前面給出的第一個經(jīng)驗(yàn)建議。但在我們測量上升時間時發(fā)現(xiàn)，用這臺示波器測量得到的上升時間約為750ps。在這種情況下，示波器對信號上升時間的測量就不是非常準(zhǔn)確，它得到的測量結(jié)果實(shí)際上很接近它自己的上升時間(700ps)，而不是輸入信號的上升時間(接近500ps)。這說明，如果時序測量比較重要，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，我們得到的信號圖像(見圖5)就更準(zhǔn)確了。

圖5

在示波器中選擇上升時間測量后，我們得到的測量結(jié)果約為550ps。這一測量結(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，即便是1GHz帶寬示波器得到的這種測量結(jié)果也可能被認(rèn)為精度不夠。如果我們要求對這個邊沿速度在500ps的信號達(dá)到3%的邊沿速度測量精度，那么我們就需要2 GHz或更高帶寬的示波器，這一點(diǎn)我們在前面的例子中已經(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)就是比較精確的時鐘信號，上升時間測量結(jié)果約為495ps。

圖6

安捷倫Infiniium系列高帶寬示波器有一個優(yōu)點(diǎn)，那就是帶寬可以升級。如果2 GHz帶寬對今天的應(yīng)用已經(jīng)足夠，那么您開始可以只購買入門級的2-GHz示波器，以后當(dāng)您需要更高的帶寬時，再將其逐步升級到13 GHz。

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，帶寬至少應(yīng)比最大信號頻率高3倍。盡管這一“3X”準(zhǔn)則并不適用于以時鐘速率為基礎(chǔ)的數(shù)字應(yīng)用，但它卻仍然適用于已調(diào)RF信號測量等模擬應(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1GHz帶寬示波器的真正頻率響應(yīng)。

圖7所示為對Agilent1-GHz帶寬示波器MSO6104A的掃頻響應(yīng)測試(掃頻范圍20 MHz到 2 GHz)。

圖7

從圖中可以看出，恰好在1 GHz處，輸入信號衰減約為1.7 dB，這還遠(yuǎn)未超出定義示波器帶寬的-3 dB限。然而，要想精確測量模擬信號，我們只能利用示波器帶寬中衰減最小的相對平坦的那部分頻帶。對該示波器而言，在其1 GHz帶寬的大約三分之一處，輸入信號基本沒有衰減(衰減為0dB)。但并非所有示波器都具備這樣的頻響。

圖8所示的是對另一廠商的1.5-GHz帶寬示波器進(jìn)行掃頻響應(yīng)測試的結(jié)果。

圖8

這正是一個遠(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，這會導(dǎo)致波形嚴(yán)重失真，不論測量的是模擬信號還是數(shù)字信號。不幸的是，示波器的帶寬規(guī)范(即輸入信號衰減為3dB的頻率)中對在其他頻率上的信號衰減或放大沒有任何規(guī)定。在這臺示波器上，即便是在示波器帶寬的五分之一處，信號也有大約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，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平坦度。

本文小結(jié)

總的來說，對數(shù)字應(yīng)用而言，示波器帶寬至少應(yīng)比被測設(shè)計(jì)的最快時鐘速率快5倍。但在需要精確測量信號的邊沿速度時，則要根據(jù)信號的最大實(shí)際頻率成分來決定示波器帶寬。

對模擬應(yīng)用而言，示波器帶寬至少應(yīng)比被測設(shè)計(jì)中的模擬信號最高頻率高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平坦的示波器。

而且我們選擇示波器時也不能只顧眼前，不管將來。只要預(yù)算允許，在今天購買稍優(yōu)于應(yīng)用最低要求的示波器可能會在將來為您節(jié)約不少投資。