根據應用選擇合適的示波器帶寬

數字應用需要的示波器帶寬

經(jīng)驗告訴我們，示波器的帶寬至少應比被測系統最快的數字時(shí)鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿(mǎn)足這一標準，那么該示波器就能以最小的信號衰減捕捉到被測信號的5次諧波。信號的5次諧波在確定數字信號的整體形狀方面非常重要。但如果需要對高速邊沿進(jìn)行精確測量，那么這個(gè)簡(jiǎn)單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實(shí)際高頻成分。

公式：fBW ≥ 5 x fclk

確定示波器帶寬的一個(gè)更準確的方法是根據數字信號中存在的最高頻率，而不是最大時(shí)鐘速率。數字信號的最高頻率要看設計中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設計中最快的信號的上升和下降時(shí)間。這一信息通?？蓮脑O計中所用器件的公開(kāi)說(shuō)明書(shū)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)單的公式計算信號的最大“實(shí)際”頻率成分。Howard W. Johnson博士就此題目寫(xiě)過(guò)一本書(shū)《高速數字設計》。在書(shū)中，他將這一頻率成分稱(chēng)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(chēng)“knee”)，高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀就無(wú)關(guān)緊要了。

第二步：計算fknee

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