如何選擇合適的是德科技示波器帶寬

如何選擇合適的示波器帶寬,帶寬是大多數(shù)工程師在選擇一款是德科技示波器時(shí)首先考慮的參數(shù)。本文將為您提供一些有用的竅門，教您如何為您的數(shù)字和模擬應(yīng)用選擇合適的是德科技示波器帶寬。但首先，我們先看看是德科技示波器帶寬的定義。帶寬是大多數(shù)工程師在選擇一款是德科技示波器時(shí)首先考慮的參數(shù)。本文將為您提供一些有用的竅門，教您如何為您的數(shù)字和模擬應(yīng)用選擇合適的是德科技示波器帶寬。但首先，我們先看看是德科技示波器帶寬的定義。


是德科技示波器帶寬的定義


所有是德科技示波器都表現(xiàn)出如圖1所示的在較高頻率處滾降的低通頻率響應(yīng)。大多數(shù)帶寬參數(shù)在1GHz及以下的是德科技示波器通常表現(xiàn)為高斯響應(yīng)，即具備約從-3dB頻率的三分之一處開始緩慢滾降的特性。而那些帶寬規(guī)格超過1GHz的是德科技示波器通常則具備最大平坦頻率響應(yīng)，如圖2所示。這種頻響通常表現(xiàn)為帶內(nèi)響應(yīng)較平緩，而在約-3dB頻率處滾降較陡。


是德科技示波器的這兩種頻率響應(yīng)各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。具備最大平坦頻響的是德科技示波器比具備高斯頻響的是德科技示波器對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的衰減較小，也就是說前者對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的測量更精確。但具備高斯頻響的是德科技示波器比具備最大平坦頻響的是德科技示波器對(duì)代外信號(hào)的衰減小，也就是說在同樣的帶寬規(guī)格下，具備高斯頻響的是德科技示波器通常具備更快的上升時(shí)間。然而，有時(shí)對(duì)帶外信號(hào)的衰減大有助于消除那些根據(jù)奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)(fMAX 不論您手頭的是德科技示波器具備高斯頻響、最大平坦頻響還是介于二者之間，我們都將輸入信號(hào)通過是德科技示波器后衰減3dB時(shí)的最低頻率視為該是德科技示波器的帶寬。是德科技示波器的帶寬和頻響可以利用正弦波信號(hào)發(fā)生器掃頻測量得到。信號(hào)在是德科技示波器-3dB頻率處的衰減轉(zhuǎn)換后可表示為約-30%的幅度誤差。因此，我們不能奢望對(duì)那些主要的頻率成分接近是德科技示波器帶寬的信號(hào)進(jìn)行精確測量。


與是德科技示波器帶寬規(guī)格緊密相關(guān)的是其上升時(shí)間參數(shù)。具備高斯頻響的是德科技示波器，按照10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)衡量，上升時(shí)間約為0.35/fBW。具備最大平坦頻響的是德科技示波器上升時(shí)間規(guī)格一般在0.4/fBW范圍上，隨是德科技示波器頻率滾降特性的陡度不同而有所差異。但我們必須記住的是，是德科技示波器的上升時(shí)間并非是德科技示波器能精確測量的最快的邊緣速度，而是當(dāng)輸入信號(hào)具備理論上無限快的上升時(shí)間(0ps)時(shí)，是德科技示波器能夠得到的最快邊沿速度。盡管實(shí)際上這種理論參數(shù)不可能測得到，因?yàn)槊}沖發(fā)生器不可能輸出邊沿?zé)o限快的脈沖，但我們可以通過輸入一個(gè)邊沿速度為是德科技示波器上升時(shí)間規(guī)格的3到5倍的脈沖來測量是德科技示波器的上升時(shí)間。


數(shù)字應(yīng)用需要的是德科技示波器帶寬


經(jīng)驗(yàn)告訴我們，是德科技示波器的帶寬至少應(yīng)比被測系統(tǒng)最快的數(shù)字時(shí)鐘速率高5倍。如果我們選擇的是德科技示波器滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，那么該是德科技示波器就能以最小的信號(hào)衰減捕捉到被測信號(hào)的5次諧波。信號(hào)的5次諧波在確定數(shù)字信號(hào)的整體形狀方面非常重要。但如果需要對(duì)高速邊沿進(jìn)行精確測量，那么這個(gè)簡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≥5xfclk


確定是德科技示波器帶寬的一個(gè)更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號(hào)中存在的最高頻率，而不是最大時(shí)鐘速率。數(shù)字信號(hào)的最高頻率要看設(shè)計(jì)中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設(shè)計(jì)中最快的信號(hào)的上升和下降時(shí)間。這一信息通?？蓮脑O(shè)計(jì)中所用器件的公開說明書中獲取。


第一步：確定最快的邊沿速度


然后就可以利用一個(gè)簡單的公式計(jì)算信號(hào)的最大“實(shí)際”頻率成分。HowardW.Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數(shù)字設(shè)計(jì)》。在書中，他將這一頻率成分稱為“拐點(diǎn)”頻率(fknee)。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個(gè)拐點(diǎn)(或稱“knee”)，高于該頻率的頻率成分對(duì)于確定信號(hào)的形狀就無關(guān)緊要了。


第二步：計(jì)算fknee


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)間與是德科技示波器的上升時(shí)間規(guī)格混淆了，我們這里所說的是實(shí)際的信號(hào)邊沿速度。


第三步就是根據(jù)測量上升時(shí)間和下降時(shí)間所需的精確程度來確定測量該信號(hào)所需的是德科技示波器帶寬。表1給出了對(duì)于具備高斯頻響或最大平坦頻響的是德科技示波器而言，在各種精度要求下需要的是德科技示波器帶寬與fknee的關(guān)系。但要記住的是，大多數(shù)帶寬規(guī)格在1GHz及以下的是德科技示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過1GHz的通常則為最大平坦頻響型的。


表1：根據(jù)需要的精度和是德科技示波器頻率響應(yīng)的類型計(jì)算是德科技示波器所需帶寬的系數(shù)


第三步：計(jì)算是德科技示波器帶寬


下面我們通過一個(gè)簡單的例子進(jìn)行講解：


對(duì)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(yīng)的是德科技示波器，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1GHz。


fknee=(0.5/500ps)=1GHz


如果在進(jìn)行上升時(shí)間和下降時(shí)間參數(shù)測量時(shí)允許20%的定時(shí)誤差，那么帶寬為1GHz的是德科技示波器就能滿足該數(shù)字測量應(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的是德科技示波器更好。


20％定時(shí)精度：


是德科技示波器帶寬＝1.0x1GHz＝1.0GHz


3％定時(shí)精度：


是德科技示波器帶寬＝1.9x1GHz＝1.9GHz


下面我們將用幾個(gè)帶寬不同的是德科技示波器對(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)行測量。


不同帶寬是德科技示波器對(duì)同一數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)的測量比較


圖3給出了利用Agilent公司帶寬為100MHz的是德科技示波器MSO6014A測量一個(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。


從圖中可以看出，該是德科技示波器主要只通過了該時(shí)鐘信號(hào)的100MHz基本頻率成分，因此，時(shí)鐘信號(hào)顯示出來大約是正弦波的形狀。帶寬為100MHz的是德科技示波器對(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)于這里測量的100MHz的時(shí)鐘信號(hào)就明顯不夠了。


從圖中可以看出，該是德科技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。但在我們測量上升時(shí)間時(shí)發(fā)現(xiàn)，用這臺(tái)是德科技示波器測量得到的上升時(shí)間約為750ps。在這種情況下，是德科技示波器對(duì)信號(hào)上升時(shí)間的測量就不是非常準(zhǔn)確，它得到的測量結(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是德科技示波器才能滿足這一數(shù)字測量應(yīng)用的要求。


換用Agilent1-GHz帶寬的是德科技示波器MSO6104A之后，我們得到的信號(hào)圖像(見圖5)就更準(zhǔn)確了。


在是德科技示波器中選擇上升時(shí)間測量后，我們得到的測量結(jié)果約為550ps。這一測量結(jié)果的精度約為10%，已經(jīng)非常讓人滿意，尤其在需要考慮是德科技示波器資金投入的情況下。但有時(shí)，即便是1GHz帶寬是德科技示波器得到的這種測量結(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%的邊沿速度測量精度，那么我們就需要2GHz或更高帶寬的是德科技示波器，這一點(diǎn)我們?cè)谇懊娴睦又幸呀?jīng)提到。


換用2GHz帶寬的是德科技示波器之后，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)間測量結(jié)果約為495ps。


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


模擬應(yīng)用需要的是德科技示波器帶寬


多年之前，大多數(shù)是德科技示波器廠商就建議用戶在選擇是德科技示波器時(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)測量等模擬應(yīng)用。為了便于讀者理解這一三倍乘子的來歷，我們來看一個(gè)1GHz帶寬是德科技示波器的真正頻率響應(yīng)。


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


這正是一個(gè)遠(yuǎn)非平坦頻響的例子。該是德科技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，不論測量的是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)。不幸的是，是德科技示波器的帶寬規(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)衰減或放大沒有任何規(guī)定。在這臺(tái)是德科技示波器上，即便是在是德科技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)則選擇是德科技示波器就很不明智了。所以，在挑選是德科技示波器時(shí)，最好是選擇著名廠商的產(chǎn)品，而且要密切注意是德科技示波器頻響的相對(duì)平坦度。


本文小結(jié)


總的來說，對(duì)數(shù)字應(yīng)用而言，是德科技示波器帶寬至少應(yīng)比被測設(shè)計(jì)的最快時(shí)鐘速率快5倍。但在需要精確測量信號(hào)的邊沿速度時(shí)，則要根據(jù)信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分來決定是德科技示波器帶寬。


對(duì)模擬應(yīng)用而言，是德科技示波器帶寬至少應(yīng)比被測設(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)平坦的是德科技示波器。


而且我們選擇是德科技示波器時(shí)也不能只顧眼前，不管將來。只要預(yù)算允許，在今天購買稍優(yōu)于應(yīng)用最低要求的是德科技示波器可能會(huì)在將來為您節(jié)約不少投資。