再談示波器帶寬（2）

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(cè)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(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(lái)測(cè)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(cè)試800ps的上升時(shí)間結(jié)果幾乎一樣。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(cè)試的信號(hào)類型及您希望的測(cè)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(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。


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


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(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，但等到其它兩家的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(shuō)明了這家公司的公關(guān)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(cè)試USB.20而購(gòu)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(cè)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(cè)試出來(lái)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(cè)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(cè)試。但我們不太愿意推薦1GHz的示波器用于USB2.0 high speed的測(cè)試，因?yàn)閁SB-IF規(guī)范上并沒有這樣推薦，我們很難去說(shuō)明工程師接受不符合規(guī)范的帶寬。圖16和圖17是我們測(cè)試某品牌臺(tái)式機(jī)USB埠時(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。我用的連接計(jì)算機(jī)和夾具之間的連接線很短，只有十幾厘米，如果用長(zhǎng)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(cè)試USB2.0 high speed信號(hào)的上升時(shí)間


圖17，3GHz帶寬時(shí)測(cè)試USB2.0 high speed信號(hào)的上升時(shí)間