測試測量關(guān)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(shí)間特性按照10% 到90%閥值定義的信號而言，拐點(diǎn)頻率fknee等于0.5除以信號的上升時(shí)間。對上升時(shí)間特性按照20% 到80%閥值定義的信號而言(如今的器件規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(shí)間。但注意不要把此處的信號上升時(shí)間與示波器的上升時(shí)間規格混淆了，我們這里所說(shuō)的是實(shí)際的信號邊沿速度。

　　第三步就是根據測量上升時(shí)間和下降時(shí)間所需的精確程度來(lái)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(guān)系。但要記住的是，大多數帶寬規格在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：根據需要的精度和示波器頻率響應的類(lèi)型計算示波器所需帶寬的系數

　　第三步：計算示波器帶寬

　　下面我們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行講解：

　　對于在測量500ps上升時(shí)間(10-90%)時(shí)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(shí)間約為500ps(按10%到90%的標準定義)，那么該信號的最大實(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)間參數測量時(shí)允許20%的定時(shí)誤差，那么帶寬為1 GHz的示波器就能滿(mǎn)足該數字測量應用的要求。但如果要求定時(shí)精度在3%范圍內，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與該例中的信號具備類(lèi)似特性的一個(gè)數字時(shí)鐘信號進(jìn)行測量。

　　不同帶寬示波器對同一數字時(shí)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(gè)邊沿速度為500ps(從10%到90%)的100MHz數字時(shí)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(guò)了該時(shí)鐘信號的100MHz基本頻率成分，因此，時(shí)鐘信號顯示出來(lái)大約是正弦波的形狀。帶寬為100MHz的示波器對許多時(shí)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(shí)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(mǎn)足了我們在前面給出的第一個(gè)經(jīng)驗建議。但在我們測量上升時(shí)間時(shí)發(fā)現，用這臺示波器測量得到的上升時(shí)間約為750ps。在這種情況下，示波器對信號上升時(shí)間的測量就不是非常準確，它得到的測量結果實(shí)際上很接近它自己的上升時(shí)間(700ps)，而不是輸入信號的上升時(shí)間(接近500ps)。這說(shuō)明，如果時(shí)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(mǎn)足這一數字測量應用的要求。

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

　　圖5

　　在示波器中選擇上升時(shí)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(jīng)非常讓人滿(mǎn)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量結果也可能被認為精度不夠。如果我們要求對這個(gè)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(diǎn)我們在前面的例子中已經(jīng)提到。

　　換用2GHz帶寬的示波器之后，我們現在看到的(見(jiàn)圖6)就是比較精確的時(shí)鐘信號，上升時(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是帶寬可以升級。如果2 GHz帶寬對今天的應用已經(jīng)足夠，那么您開(kāi)始可以只購買(mǎi)入門(mén)級的2-GHz示波器，以后當您需要更高的帶寬時(shí)，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，大多數示波器廠(chǎng)商就建議用戶(hù)在選擇示波器時(shí)，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(shí)鐘速率為基礎的數字應用，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(lái)歷，我們來(lái)看一個(gè)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(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所示的是對另一廠(chǎng)商的1.5-GHz帶寬示波器進(jìn)行掃頻響應測試的結果。

　　圖8

　　這正是一個(gè)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，而且尖峰現象很?chē)乐?，這會(huì )導致波形嚴重失真，不論測量的是模擬信號還是數字信號。不幸的是，示波器的帶寬規范(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(méi)有任何規定。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3X準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(zhù)名廠(chǎng)商的產(chǎn)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(lái)說(shuō)，對數字應用而言，示波器帶寬至少應比被測設計的最快時(shí)鐘速率快5倍。但在需要精確測量信號的邊沿速度時(shí)，則要根據信號的最大實(shí)際頻率成分來(lái)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(jīng)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(chēng)為示波器的第一指標，也是示波器最值錢(qián)的指標。示波器市場(chǎng)的劃分常以帶寬作為首要依據，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(xiāo)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，還有數字帶寬，觸發(fā)帶寬的概念。

　　我們常說(shuō)數字示波器有五大功能，即捕獲(Capture)，觀(guān)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(jīng)過(guò)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(gè)個(gè)獨立的采樣電平，ADC將這些電平轉化成數字的采樣點(diǎn)，這些數字采樣點(diǎn)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(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。 由此等效電路推導出輸出電壓和輸入電壓的關(guān)