再談示波器帶寬（2）

我們知道，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答案，很少有工程師反問我：“這5MHz的時鐘信號是方波還是正弦波，如果是方波，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。”圖13顯示了5MHz的方波信號在不同帶寬時測試出的波形。其中，M1和M2是分別在6GHz和1GHz時波形，C3是帶寬限制到200MHz的測試結(jié)果。 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。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？…… 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類型及您希望的測試準(zhǔn)確度。
2，對方波信號，最重要的因素是上升時間。任何一方波信號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，被測信號的能量就接近為零？這取決于上升時間！這在Peter的白皮書中也有非常詳細(xì)討論。
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因素。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.在這個準(zhǔn)則下，如果被測信號的上升時間>20%UI,那么1.8關(guān)系的帶寬能捕獲信號能量的99%.下面的圖表給出了不同的上升時間和帶寬之間的關(guān)系。


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14，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


基于上面的原則，我們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)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，但等到其它兩家的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公關(guān)能力蠻強的，也說明國外的權(quán)威標(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坦度總會好些嘛。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公司很不負(fù)責(zé)任的投資。我們知道，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芯片管腳的信號，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。因此，用1GHz的示波器就可以滿足系統(tǒng)級應(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，因為USB-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式機USB埠時，將帶寬設(shè)為4GHz和1GHz時的上升時間對比，只相差30ps左右。我用的連接計算機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帶寬時測試USB2.0 high speed信號的上升時間


圖17，3GHz帶寬時測試USB2.0 high speed信號的上升時間