測試測量關鍵基礎之示波器（一）

　　fknee = 0.5/RT (10% - 90%)

　　fknee = 0.4/RT (20% - 80%)

　　對于上升時間特性按照10% 到90%閥值定義的信號而言，拐點頻率fknee等于0.5除以信號的上升時間。對上升時間特性按照20% 到80%閥值定義的信號而言(如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式)，fknee等于0.4除以信號的上升時間。但注意不要把此處的信號上升時間與示波器的上升時間規(guī)格混淆了，我們這里所說的是實際的信號邊沿速度。

　　第三步就是根據(jù)測量上升時間和下降時間所需的精確程度來確定測量該信號所需的示波器帶寬。表1給出了對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的類型計算示波器所需帶寬的系數(shù)

　　第三步：計算示波器帶寬

　　下面我們通過一個簡單的例子進行講解：

　　對于在測量500ps上升時間(10-90%)時具有正確的高斯頻率響應的示波器，確定其所需的最小帶寬

　　如果信號的上升/下降時間約為500ps(按10%到90%的標準定義)，那么該信號的最大實際頻率成分((fknee)就約為1 GHz。

　　fknee = (0.5/500ps) = 1 GHz

　　如果在進行上升時間和下降時間參數(shù)測量時允許20%的定時誤差，那么帶寬為1 GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測量應用的要求。但如果要求定時精度在3%范圍內，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。

　　20%定時精度：

　　示波器帶寬=1.0x1GHz=1.0GHz

　　3%定時精度：

　　示波器帶寬=1.9x1GHz=1.9GHz

　　下面我們將用幾個帶寬不同的示波器對與該例中的信號具備類似特性的一個數(shù)字時鐘信號進行測量。

　　不同帶寬示波器對同一數(shù)字時鐘信號的測量比較

　　圖3給出了利用Agilent 公司帶寬為100MHz的示波器 MSO6014A測量一個邊沿速度為500ps(從10%到90%)的100MHz數(shù)字時鐘信號得到的波形結果。

　　圖3

　　從圖中可以看出，該示波器主要只通過了該時鐘信號的100MHz基本頻率成分，因此，時鐘信號顯示出來大約是正弦波的形狀。帶寬為100MHz的示波器對許多時鐘速率在10MHz 到 20MHz 范圍的基于MCU的8bit設計而言可能非常合適，但對于這里測量的100MHz的時鐘信號就明顯不夠了。 圖4給出了利用Agilent公司500MHz帶寬的示波器MSO6054A測量同一信號的結果。

　　圖4

　　從圖中可以看出，該示波器最高能捕捉到信號的5次諧波，這恰好滿足了我們在前面給出的第一個經驗建議。但在我們測量上升時間時發(fā)現(xiàn)，用這臺示波器測量得到的上升時間約為750ps。在這種情況下，示波器對信號上升時間的測量就不是非常準確，它得到的測量結果實際上很接近它自己的上升時間(700ps)，而不是輸入信號的上升時間(接近500ps)。這說明，如果時序測量比較重要，那么我們就需要用更高帶寬的示波器才能滿足這一數(shù)字測量應用的要求。

　　換用Agilent1-GHz帶寬的示波器MSO6104A之后，我們得到的信號圖像(見圖5)就更準確了。

　　圖5

　　在示波器中選擇上升時間測量后，我們得到的測量結果約為550ps。這一測量結果的精度約為10%，已經非常讓人滿意，尤其在需要考慮示波器資金投入的情況下。但有時，即便是1GHz帶寬示波器得到的這種測量結果也可能被認為精度不夠。如果我們要求對這個邊沿速度在500ps的信號達到3%的邊沿速度測量精度，那么我們就需要2 GHz或更高帶寬的示波器，這一點我們在前面的例子中已經提到。

　　換用2GHz帶寬的示波器之后，我們現(xiàn)在看到的(見圖6)就是比較精確的時鐘信號，上升時間測量結果約為495ps。

　　圖6

　　安捷倫Infiniium系列高帶寬示波器有一個優(yōu)點，那就是帶寬可以升級。如果2 GHz帶寬對今天的應用已經足夠，那么您開始可以只購買入門級的2-GHz示波器，以后當您需要更高的帶寬時，再將其逐步升級到13 GHz。

　　模擬應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，帶寬至少應比最大信號頻率高3倍。盡管這一“3X”準則并不適用于以時鐘速率為基礎的數(shù)字應用，但它卻仍然適用于已調RF信號測量等模擬應用。為了便于讀者理解這一三倍乘子的來歷，我們來看一個1GHz帶寬示波器的真正頻率響應。

　　圖7所示為對Agilent1-GHz帶寬示波器MSO6104A的掃頻響應測試(掃頻范圍20 MHz到 2 GHz)。

　　圖7

　　從圖中可以看出，恰好在1 GHz處，輸入信號衰減約為1.7 dB，這還遠未超出定義示波器帶寬的-3 dB限。然而，要想精確測量模擬信號，我們只能利用示波器帶寬中衰減最小的相對平坦的那部分頻帶。對該示波器而言，在其1 GHz帶寬的大約三分之一處，輸入信號基本沒有衰減(衰減為0dB)。但并非所有示波器都具備這樣的頻響。

　　圖8所示的是對另一廠商的1.5-GHz帶寬示波器進行掃頻響應測試的結果。

　　圖8

　　這正是一個遠非平坦頻響的例子。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)象很嚴重，這會導致波形嚴重失真，不論測量的是模擬信號還是數(shù)字信號。不幸的是，示波器的帶寬規(guī)范(即輸入信號衰減為3dB的頻率)中對在其他頻率上的信號衰減或放大沒有任何規(guī)定。在這臺示波器上，即便是在示波器帶寬的五分之一處，信號也有大約1dB(10%)的衰減。因此，在這種情況下再根據(jù)3X準則選擇示波器就很不明智了。所以，在挑選示波器時，最好是選擇著名廠商的產品，而且要密切注意示波器頻響的相對平坦度。 本文小結

　　總的來說，對數(shù)字應用而言，示波器帶寬至少應比被測設計的最快時鐘速率快5倍。但在需要精確測量信號的邊沿速度時，則要根據(jù)信號的最大實際頻率成分來決定示波器帶寬。對模擬應用而言，示波器帶寬至少應比被測設計中的模擬信號最高頻率高3倍，但這一經驗準則只適用于那些在低頻段上頻響相對平坦的示波器。

四、如何確定示波器帶寬?

　　帶寬被稱為示波器的第一指標，也是示波器最值錢的指標。示波器市場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候，首先要確定的也是帶寬。在銷售過程中，關于帶寬的故事也特別多。

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

　　我們常說數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲(Capture)，觀察(View)，測量(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電路組成，即放大器芯片，A/D芯片，存儲器芯片和觸發(fā)器電路，原理框圖如下圖2所示。被測信號首先經過探頭和放大器及歸一化后轉換成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分割成一個個獨立的采樣電平，ADC將這些電平轉化成數(shù)字的采樣點，這些數(shù)字采樣點保存在采集存儲器里送顯示和測量分析處理。

　　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。 由此等效電路推導出輸出電壓和輸入電壓的關