示波器帶寬的原理及應(yīng)用技巧

• 示波器帶寬的原理
• 示波器帶寬在測(cè)試中的應(yīng)用
• 工程師在選擇示波器的時(shí)候，如何確定帶寬？

帶寬被稱為示波器的第一指標(biāo)，也是示波器最值錢(qián)的指標(biāo)。示波器市場(chǎng)的劃分常以帶寬作為首要依據(jù)，工程師在選擇示波器的時(shí)候，首先要確定的也是帶寬。在銷售過(guò)程中，關(guān)于帶寬的故事也特別多。

通常談到的帶寬沒(méi)有特別說(shuō)明是指示波器模擬前端放大器的帶寬，也就是常說(shuō)的-3dB截止頻率點(diǎn)。 此外，還有數(shù)字帶寬，觸發(fā)帶寬的概念。

我們常說(shuō)數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲（Capture），觀察（View），測(cè)量(Measurement)，分析（Analyse）和歸檔（Document）。 這五大功能組成的原理框圖如圖1所示。


圖1，數(shù)字示波器的原理框圖

捕獲部分主要是由三顆芯片和一個(gè)電路組成，即放大器芯片，A/D芯片，存儲(chǔ)器芯片和觸發(fā)器電路，原理框圖如下圖2所示。被測(cè)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)探頭和放大器及歸一化后轉(zhuǎn)換成ADC可以接收的電壓范圍，采樣和保持電路按固定采樣率將信號(hào)分割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的采樣電平，ADC將這些電平轉(zhuǎn)化成數(shù)字的采樣點(diǎn)，這些數(shù)字采樣點(diǎn)保存在采集存儲(chǔ)器里送顯示和測(cè)量分析處理。


圖2，示波器捕獲電路原理框圖

示波器放大器的典型電路如圖3所示。這個(gè)電路在模擬電路教科書(shū)中處處可見(jiàn)。這種放大器可以等效為RC低通濾波器如圖4所示。 由此等效電路推導(dǎo)出輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系，得出理想的幅頻特性的波特圖如圖5所示。



圖3，放大器的典型電路



圖4，放大器的等效電路模型



圖5，放大器的理想波特圖



至此，我們知道帶寬f2即輸出電壓降低到輸入電壓70.7%時(shí)的頻率點(diǎn)。 根據(jù)放大器的等效模型，我們可進(jìn)一步推導(dǎo)示波器的上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系式，即我們常提到的0.35的關(guān)系：上升時(shí)間=0.35/帶寬，推導(dǎo)過(guò)程如下圖6所示。 需要說(shuō)明的是，0.35是基于高斯響應(yīng)的理論值，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中這個(gè)數(shù)值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會(huì)標(biāo)明“上升時(shí)間”指標(biāo)。 示波器測(cè)量出來(lái)的上升時(shí)間與真實(shí)的上升時(shí)間之間存在下面的關(guān)系式。 在對(duì)快沿信號(hào)測(cè)試中，需要通過(guò)該關(guān)系式來(lái)修正實(shí)際被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間。

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(cè)量方法如圖7所示。 信號(hào)源從10MHz頻率開(kāi)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(guò)等長(zhǎng)的線纜分別送到示波器和功率計(jì)。 功分器和線纜是無(wú)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(guò)功率計(jì)實(shí)測(cè)的能量來(lái)作為示波器的輸入幅值的定標(biāo)值。 有時(shí)候客戶會(huì)對(duì)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(lái)評(píng)估示波器的波特圖，在帶寬超過(guò)1GHz時(shí)這種方法是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。需要用功率?jì)來(lái)作為定標(biāo)工具！

此外，在計(jì)量波特圖時(shí)需要對(duì)示波器每個(gè)檔位都進(jìn)行計(jì)量,最終產(chǎn)生的波特圖是所有檔位的結(jié)果疊加在一起的。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(duì)校準(zhǔn)的嚴(yán)謹(jǐn)性有深刻認(rèn)識(shí)。 其垂直軸是-1dB/div, 疊加了10mv/div、20mv/div、50mv/div、200mv/div、500mv/div、1v/div等檔位的測(cè)試結(jié)果。 很多時(shí)候，我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手會(huì)把他們的波特圖畫(huà)成-10dB/div、只有一個(gè)檔位的測(cè)試結(jié)果拿給客戶，并和力科提供的這種-1dB/div、各種檔位疊在一起顯示的結(jié)果放在一起進(jìn)行對(duì)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(shuō)成是“噪音”大。這是有點(diǎn)貽笑天下的。 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手敢于一再采用這種做法，這是假設(shè)中國(guó)的工程師都沒(méi)有辨別力，獨(dú)立思考能力，是對(duì)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(shū)中對(duì)此有非常詳細(xì)的解釋。

Eye Patterns in Scopes (這份白皮書(shū)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(cè)信號(hào)的更高頻率成分的諧波能量通過(guò)放大器（這是假定其有采樣率遠(yuǎn)超過(guò)Nyquist），對(duì)于特別快的快沿測(cè)量有幫助。其缺點(diǎn)是在低頻段使被測(cè)信號(hào)嚴(yán)重衰減，特別是對(duì)3次諧波的衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致眼圖測(cè)量中產(chǎn)生"花生眼"。
　
Maximally Flat響應(yīng)或者說(shuō)矩形響應(yīng)似乎是最接近我們教科書(shū)上對(duì)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(duì)于帶寬范圍內(nèi)的正弦波測(cè)量有優(yōu)勢(shì)，但由于實(shí)際測(cè)量信號(hào)多是方波信號(hào)，矩形響應(yīng)對(duì)于超過(guò)帶寬范圍內(nèi)的高次諧波完全消除掉，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的相位失真。假想您購(gòu)買(mǎi)的1GHz示波器是用于200MHz的信號(hào)測(cè)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(duì)于上升沿比較快的脈沖信號(hào)測(cè)量是有問(wèn)題的。　
　
力科的 4th oder Bessel 響應(yīng)曲線是對(duì)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(méi)有失真。這對(duì)于串行信號(hào)測(cè)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(cè)量的5Gbps眼圖，因?yàn)椴蓸邮静ㄆ鲙捀?，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(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。 圖10是用力科SDA1100測(cè)量的5Gbps眼圖。 圖11是用其它品牌的12GHz示波器測(cè)量的5Gbps眼圖。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，12GHz帶寬測(cè)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(duì)比

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(wèn)的一個(gè)問(wèn)題。我很少能得到令我滿意的答案，很少有工程師反問(wèn)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(wèn)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(guò)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(shū)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(kāi)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，但等到其他兩家的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(qián)投資，買(mǎi)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(mǎi)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(guò)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(guò)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(méi)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端口時(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。 我用的連接電腦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(wèn)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