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示波器的帶寬

作者： 時(shí)間：2017-02-06 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏

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
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)?。需要用功率?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)需要對示波器每個(gè)文件位都進(jìn)行計(jì)量,最終產(chǎn)生的波特圖是所有檔位的結(jié)果迭加在一起的。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校準(zhǔn)的嚴(yán)謹(jǐn)性有深刻認(rèn)識(shí)。其垂直軸是-1dB/div, 迭加了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、各種文件位迭在一起顯示的結(jié)果放在一起進(jìn)行對比，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。這對于上升沿比較快的脈沖信號(hào)測量是有問題的。　　
力科的 4th oder Bessel 響應(yīng)曲線是對前兩種的折衷考慮。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?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/示波器帶">示波器帶寬高，噪音小，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比

我們知道，帶寬的限制對信號(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帶寬對于測試800ps的上升時(shí)間結(jié)果幾乎一樣。

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