根據(jù)應(yīng)用選擇合適的示波器帶寬

1、帶寬是大多數(shù)工程師在選擇一款示波器時(shí)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)用選擇適宜的示波器帶寬。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1GHz及以下的示波器通常表現(xiàn)為高斯響應(yīng)，即具備約從-3dB頻率的三分之一處開(kāi)始緩慢滾降的特性。而那些帶寬規(guī)格超過(guò)1GHz的示波器通常那么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-3dB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(duì)帶內(nèi)信號(hào)的衰減較

2、小，也就是說(shuō)前者對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的測(cè)量更準(zhǔn)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(duì)代外信號(hào)的衰減小，也就是說(shuō)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(shí)間。然而，有時(shí)對(duì)帶外信號(hào)的衰減大有助于消除那些根據(jù)奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)(fMAXfS)可能造成混迭的高頻成分。關(guān)于奈奎斯特采樣理論更深化的討論，請(qǐng)參看安捷倫應(yīng)用筆記1587(AgilentApplicationNote1587)。不管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(hào)通過(guò)示波器后衰減3dB時(shí)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(hào)發(fā)生器掃頻測(cè)量得到。信號(hào)在示波器-

3、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(duì)那些主要的頻率成分接近示波器帶寬的信號(hào)進(jìn)展準(zhǔn)確測(cè)量。與示波器帶寬規(guī)格嚴(yán)密相關(guān)的是其上升時(shí)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(shí)間約為。具備最大平坦頻響的示波器上升時(shí)間規(guī)格一般在范圍上，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(shí)間并非示波器能準(zhǔn)確測(cè)量的最快的邊緣速度，而是當(dāng)輸入信號(hào)具備理論上無(wú)限快的上升時(shí)間(0ps)時(shí)，示波器可以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(cè)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(guò)輸入一個(gè)邊沿速度為示波

4、器上升時(shí)間規(guī)格的3到5倍的脈沖來(lái)測(cè)量示波器的上升時(shí)間。B d -3UO_3U 患5xfclk確定示波器帶寬的一個(gè)更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號(hào)中存在的最高頻率，而不是最大時(shí)鐘速率。數(shù)字信號(hào)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(hào)的上升和下降時(shí)間。這一信息通常可從設(shè)計(jì)中所用器件的公開(kāi)說(shuō)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(gè)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分。HowardW.Johnson博士就此題目寫過(guò)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(wú)限多的頻率成分，但其中有一個(gè)拐點(diǎn)(或稱

5、“knee,)，高于該頻率的頻率成分對(duì)于確定信號(hào)的形狀就無(wú)關(guān)緊要了。第二步：計(jì)算fkneefknee=0.5/RT(10%-90%)fknee=0.4/RT(20%-80%)對(duì)于上升時(shí)間特性按照10%到90%閥值定義的信號(hào)而言，拐點(diǎn)頻率fknee等于除以信號(hào)的上升時(shí)間。對(duì)上升時(shí)間特性按照20%到80%閥值定義的信號(hào)而言(如今的器件標(biāo)準(zhǔn)中通常采用這種定義方式)，fknee等于除以信號(hào)的上升時(shí)間。但注意不要把此處的信號(hào)上升時(shí)間與示波器的上升時(shí)間規(guī)格混淆了，我們這里所說(shuō)的是實(shí)際的信號(hào)邊沿速度。第三步就是根據(jù)測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間所需的準(zhǔn)確程度來(lái)確定測(cè)量該信號(hào)所需的示波器帶寬。表1給出了對(duì)于具備高斯頻

6、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1GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過(guò)1GHz的通常那么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(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)展講解：?對(duì)于在測(cè)量500Ps上升時(shí)間（10-90%）時(shí)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?假設(shè)信號(hào)的上升/下降時(shí)間約為500Ps（按10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)定義），那么該信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分（fknee）就約為1GHz。?fknee=（0.5/500ps）=1G

7、Hz假設(shè)在進(jìn)展上升時(shí)間和下降時(shí)間參數(shù)測(cè)量時(shí)允許20%的定時(shí)誤差，那么帶寬為1GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測(cè)量應(yīng)用的要求。但假設(shè)要求定時(shí)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(shí)精度：小波器帶寬=3%定時(shí)精度：小波器帶寬=下面我們將用幾個(gè)帶寬不同的示波器對(duì)與該例中的信號(hào)具備類似特性的一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)展測(cè)量。不同帶寬示波器對(duì)同一數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)的測(cè)量比較圖3給出了利用Agilent公司帶寬為100MHz的示波器MSO6014A測(cè)量一個(gè)邊沿速度為500Ps（從10%到90%）的100MHz數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)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(guò)了該時(shí)鐘信號(hào)的100MHz

8、根本頻率成分，因此，時(shí)鐘信號(hào)顯示出來(lái)大約是正弦波的形狀。帶寬為100MHz的示波器對(duì)許多時(shí)鐘速率在10MHz到20MHz范圍的基于MCU的8bit設(shè)計(jì)而言可能非常適宜，但對(duì)于這里測(cè)量的100MHz的時(shí)鐘信號(hào)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(cè)量同一信號(hào)的結(jié)果。U1occr/3IIr0.0s5,0。%Auroi4.07LLTUL-L一一1一二1_一一L_y11411,11,f111廠；L一.廠）1產(chǎn)|H|1酗Q750psSCLXC4?pSelectRiserMeasureR帝1ClearMeas_Thresholds圖4從圖中可以看出，該示波器

9、最高能捕捉到信號(hào)的5次諧波，這恰好滿足了我們?cè)谇懊娼o出的第一個(gè)經(jīng)歷建議。但在我們測(cè)量上升時(shí)間時(shí)發(fā)現(xiàn)，用這臺(tái)示波器測(cè)量得到的上升時(shí)間約為750Ps。在這種情況下，示波器對(duì)信號(hào)上升時(shí)間的測(cè)量就不是非常準(zhǔn)確，它得到的測(cè)量結(jié)果實(shí)際上很接近它自己的上升時(shí)間（700ps）而不是輸入信號(hào)的上升時(shí)間（接近500ps）o這說(shuō)明，假設(shè)時(shí)序測(cè)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(cè)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(hào)圖像（見(jiàn)圖5）就更準(zhǔn)確了log/9FO.OS5.001/AuwiH425r強(qiáng)出!螞一些_里999M也處醺呼kSourceeSe

10、lect：MaasureCtearTlire-stioldJ_媽Rise川崢圖5在示波器中選擇上升時(shí)間測(cè)量后，我們得到的測(cè)量結(jié)果約為550Ps。這一測(cè)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(shí)，即便是1GHz帶寬示波器得到的這種測(cè)量結(jié)果也可能被認(rèn)為精度不夠。假設(shè)我們要求對(duì)這個(gè)邊沿速度在500Ps的信號(hào)到達(dá)3%的邊沿速度測(cè)量精度，那么我們就需要2GHz或更高帶寬的示波器，這一點(diǎn)我們?cè)谇懊娴睦又幸呀?jīng)提到。換用2GHz帶寬的示波器之后，我們?nèi)缃窨吹降模ㄒ?jiàn)圖6）就是比較準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)，上升時(shí)間測(cè)量結(jié)果約為495Ps。*prr (1 til jOklrFrw

11、jLNmcyif力1網(wǎng),腦*h汕-鴕丹G0gIM1日立S圖6安捷倫Infiniium系列高帶寬示波器有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是帶寬可以晉級(jí)。假設(shè)2GHz帶寬對(duì)今天的應(yīng)用已經(jīng)足夠，那么您開(kāi)始可以只購(gòu)置入門級(jí)的2-GHz示波器，以后當(dāng)您需要更高的帶寬時(shí)，再將其逐步晉級(jí)至ij13GHz。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(shí)，帶寬至少應(yīng)比最大信號(hào)頻率高3倍。盡管這一“3X準(zhǔn)那么并不適用于以時(shí)鐘速率為根底的數(shù)字應(yīng)用，但它卻仍然適用于已調(diào)RF信號(hào)測(cè)量等模擬應(yīng)用。為了便于讀者理解這一三倍乘子的來(lái)歷，我們來(lái)看一個(gè)1GHz帶寬示波器的真正頻率響應(yīng)。圖7所示為對(duì)Agilent1-GH

12、z帶寬示波器MSO6104A的掃頻響應(yīng)測(cè)試（掃頻范圍20MHz至U2GHz）。Acquire MenuNormal Peak D航前。舊加。RealUrne圖7從圖中可以看出,恰好在1GHz處，輸入信號(hào)衰減約為1.7dB,這還遠(yuǎn)未超出定義示波器帶寬的-3dB限。然而，要想準(zhǔn)確測(cè)量模擬信號(hào)，我們只能利用示波器帶寬中衰減最小的相對(duì)平坦的那部分頻帶。對(duì)該示波器而言，在其1GHz帶寬的大約三分之一處，輸入信號(hào)根本沒(méi)有衰減（衰減為0dB）o但并非所有示波器都具備這樣的頻響。圖8所示的是對(duì)另一廠商的帶寬示波器進(jìn)展掃頻響應(yīng)測(cè)試的結(jié)果。圖8這正是一個(gè)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(huì)導(dǎo)致波形嚴(yán)重失真，不管測(cè)量的是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)。不幸的是，示波器的帶寬標(biāo)準(zhǔn)(即輸入信號(hào)衰減為3dB的頻率)中對(duì)在其他頻率上的信號(hào)衰減或放大沒(méi)有任何1dB(10%)的衰減。因此，在規(guī)定。在這臺(tái)示波器上，即便是在示波器帶寬的五分之一處，信號(hào)也有大約這種情況下再根據(jù)3X準(zhǔn)那么選擇示波器就很不明智了。所以，在挑選示波器時(shí),品，而且要親密注意示波器頻響的相對(duì)平坦度。本文小結(jié)總的來(lái)說(shuō)，對(duì)數(shù)字應(yīng)用而言，示波器帶