測(cè)試測(cè)量關(guān)鍵基礎(chǔ)之示波器（一）

　　fknee = 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0.5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(如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式)，fknee等于0.4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)間所需的精確程度來(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1 GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過(guò)1 GHz的通常則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)行講解：

　　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

　　如果信號(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1 GHz。

　　fknee = (0.5/500ps) = 1 GHz

　　如果在進(jìn)行上升時(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1 GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測(cè)量應(yīng)用的要求。但如果要求定時(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：

　　示波器帶寬=1.0x1GHz=1.0GHz

　　3%定時(shí)精度：

　　示波器帶寬=1.9x1GHz=1.9GHz

　　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)行測(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基本頻率成分，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)而言可能非常合適，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。

　　圖4

　　從圖中可以看出，該示波器最高能捕捉到信號(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)驗(yàn)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)。這說(shuō)明，如果時(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(見圖5)就更準(zhǔn)確了。

　　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。如果我們要求對(duì)這個(gè)邊沿速度在500ps的信號(hào)達(dá)到3%的邊沿速度測(cè)量精度，那么我們就需要2 GHz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，我們現(xiàn)在看到的(見圖6)就是比較精確的時(shí)鐘信號(hào)，上升時(shí)間測(cè)量結(jié)果約為495ps。

　　圖6

　　安捷倫Infiniium系列高帶寬示波器有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是帶寬可以升級(jí)。如果2 GHz帶寬對(duì)今天的應(yīng)用已經(jīng)足夠，那么您開始可以只購(gòu)買入門級(jí)的2-GHz示波器，以后當(dāng)您需要更高的帶寬時(shí)，再將其逐步升級(jí)到13 GHz。

　　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)則并不適用于以時(shí)鐘速率為基礎(chǔ)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-GHz帶寬示波器MSO6104A的掃頻響應(yīng)測(cè)試(掃頻范圍20 MHz到 2 GHz)。

　　圖7

　　從圖中可以看出，恰好在1 GHz處，輸入信號(hào)衰減約為1.7 dB，這還遠(yuǎn)未超出定義示波器帶寬的-3 dB限。然而，要想精確測(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1 GHz帶寬的大約三分之一處，輸入信號(hào)基本沒(méi)有衰減(衰減為0dB)。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1.5-GHz帶寬示波器進(jìn)行掃頻響應(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，不論測(cè)量的是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)。不幸的是，示波器的帶寬規(guī)范(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1dB(10%)的衰減。因此，在這種情況下再根據(jù)3X準(zhǔn)則選擇示波器就很不明智了。所以，在挑選示波器時(shí)，最好是選擇著名廠商的產(chǎn)品，而且要密切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，示波器帶寬至少應(yīng)比被測(cè)設(shè)計(jì)的最快時(shí)鐘速率快5倍。但在需要精確測(cè)量信號(hào)的邊沿速度時(shí)，則要根據(jù)信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分來(lái)決定示波器帶寬。對(duì)模擬應(yīng)用而言，示波器帶寬至少應(yīng)比被測(cè)設(shè)計(jì)中的模擬信號(hào)最高頻率高3倍，但這一經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則只適用于那些在低頻段上頻響相對(duì)平坦的示波器。

四、如何確定示波器帶寬?

　　帶寬被稱為示波器的第一指標(biāo)，也是示波器最值錢的指標(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中處處可見。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)