關(guān)于示波器的帶寬（二）

我們知道，帶寬的限制對信號的捕獲會(huì )帶來(lái)下面的影響：1，使被測信號的上升沿變緩。2，使信號的頻率分量減少。3，使信號的相位失真。那么，“對于5MHz的時(shí)鐘信號，需要用多少帶寬的示波器來(lái)測量？”這是我在培訓時(shí)常問(wèn)的一個(gè)問(wèn)題。我很少能得到令我滿(mǎn)意的答案，很少有工程師反問(wèn)我：“這5MHz的時(shí)鐘信號是方波還是正弦波，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頻率的3-5倍，100MHz余量很大了。”圖13顯示了5MHz的方波信號在不同帶寬時(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，因為其上升時(shí)間比較快，最好用1GHz以上帶寬的示波器來(lái)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)間結果幾乎一樣。

圖13，5MHz時(shí)鐘信號在6GHz、1GHz和200MHz等不同帶寬時(shí)的測試波形對比

圖14，帶寬限制到200MHz時(shí)測量5MHz時(shí)鐘上升時(shí)間


圖15，6GHz帶寬時(shí)測量5MHz時(shí)鐘上升時(shí)間
對于USB2.0信號的測試，需要多少帶寬？對于PCI-E G2信號的測試需要多少帶寬？對于電源測試，需要多少帶寬？對于1000Base-T信號的測試，需要多少帶寬？對于10Gbps的背板測試，需要多少帶寬？…… 我們常要回答這些問(wèn)題。下面的三條規則就是我們的回答。
1，首先取決于您需要測試的信號類(lèi)型及您希望的測試準確度。
2，對方波信號，最重要的因素是上升時(shí)間。任何一方波信號都可以通過(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)，被測信號的能量就接近為零？這取決于上升時(shí)間！這在Peter的白皮書(shū)中也有非常詳細討論。
3，對串行數據信號而言，數據比特率和上升時(shí)間是最重要的兩個(gè)因素。有一個(gè)非常好的評估準則是：
示波器的帶寬>1.8 X信號比特率.在這個(gè)準則下，如果被測信號的上升時(shí)間>20%UI,那么1.8關(guān)系的帶寬能捕獲信號能量的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。


基于上面的原則，我們就很好理解為什么有些客戶(hù)會(huì )用6GHz的示波器測試100MHz的時(shí)鐘，但又用6GHz的示波器測試3.125Gbps的XAUI信號。請大家忘記所謂的3-5倍這個(gè)關(guān)系，太不嚴謹的表達了！

關(guān)于帶寬，我常喜歡講下面這個(gè)故事：
大家知道，對于USB2.0一致性測試，USB-IF規范一開(kāi)始要求的帶寬是4GHz的示波器，因為那時(shí)候是只有一家示波器公司先發(fā)布這個(gè)測試軟件包。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)規范標準降為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(chǎng)商也搞出USB2.0的軟件包的時(shí)候，USB-IF把這家1.5GHz帶寬的示波器也認了。這其實(shí)只是說(shuō)明了這家公司的公關(guān)能力蠻強的，也說(shuō)明國外的權威標準組織也是講政治的。對于USB2.0信號的測試，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。但我們是需要做負責任的投資的，僅僅為測試USB.20而購買(mǎi)4GHz以上的示波器畢竟是對公司很不負責任的投資。我們知道，USB2.0 high speed的信號速率是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。對于USB芯片管腳的信號，其上升時(shí)間可能為500ps，對于系統級應用，示波器測試到的USB2.0的high speed信號通常都是從USB芯片輸出管腳經(jīng)過(guò)了一段PCB走線(xiàn)和一段USB連接線(xiàn)，示波器測試出來(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于800ps上升時(shí)間，1GHz和6GHz帶寬測量結果幾乎是完全一致。因此，用1GHz的示波器就可以滿(mǎn)足系統級應用中USB2.0 high speed的測試。但我們不太愿意推薦1GHz的示波器用于USB2.0 high speed的測試，因為USB-IF規范上并沒(méi)有這樣推薦，我們很難去說(shuō)明工程師接受不符合規范的帶寬。我們在測試某品牌臺式機USB端口時(shí)，將帶寬設為4GHz和1GHz時(shí)的上升時(shí)間對比，只相差30ps左右。我用的連接電腦和夾具之間的連接線(xiàn)很短，只有十幾厘米，如果用長(cháng)的USB線(xiàn)纜，上升時(shí)間更大。