經(jīng)常使用示波器的人都知道帶寬被稱為示波器的第一指標(biāo)，也是示波器最值錢的指標(biāo)。示波器市場(chǎng)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(shí)候，首先要確定的也是帶寬。那么真的了解示波器的帶寬嗎？

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(diǎn)。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(cè)量（Measurment），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

示波器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(chǔ)器芯片和觸發(fā)器電路，原理框圖如下圖2所示。被測(cè)信號(hào)首先經(jīng)過探頭和放大器及歸一化后成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(hào)分割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的采樣電平，ADC將這些電平轉(zhuǎn)化成數(shù)字的采樣點(diǎn)，這些數(shù)字采樣點(diǎn)保存在采集存儲(chǔ)器里送顯示和測(cè)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)電路在模擬電路的教科書上處處可見。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(dǎo)出輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系，得出理想的幅頻特性的波特圖如圖5所示。

圖3 放大器的典型電路

圖4 放大器的等效電路模型

從以上電路中我們了解到帶寬f2即輸出電壓降低到輸入電壓70.7%時(shí)的頻率點(diǎn)。根據(jù)放大器的等效模型，我們可進(jìn)一步推導(dǎo)示波器的上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系式，即我們常提到的0.35的關(guān)系：上升時(shí)間=0.35/帶寬，推導(dǎo)過程如下圖6所示。需要說明的是，0.35是基于高斯響應(yīng)的理論值，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中這個(gè)數(shù)值往往介于0.35-0.45之間。在示波器的datasheet上都會(huì)標(biāo)明“上升時(shí)間”指標(biāo)。示波器測(cè)量出來的上升時(shí)間與真實(shí)的上升時(shí)間之間存在下面的關(guān)系式。在對(duì)快沿信號(hào)測(cè)試中，需要通過該關(guān)系式來修正實(shí)際被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間。

Measuredrisetime（tr）2=（trsignal）2+（trscope）2+（trprobe）2

示波器前端放大器幅頻特性的波特圖是新示波器發(fā)布的“出生證”。示波器每年需要進(jìn)行校準(zhǔn)，波特圖是第一需要校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。示波器波特圖的測(cè)量方法如圖7所示。信號(hào)源從10MHz頻率開始逐漸遞增發(fā)送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器將輸入的信號(hào)能量等分為二后通過等長(zhǎng)的線纜分別送到示波器和功率計(jì)。功分器和線纜是無源器件，可以嚴(yán)格定標(biāo)，信號(hào)源本身的幅頻特性不可以作為定標(biāo)儀器，需要通過功率計(jì)實(shí)測(cè)的能量來作為示波器的輸入幅值的定標(biāo)值。有的人會(huì)對(duì)示波器的波特圖很感興趣，直接用信號(hào)源連接到示波器來評(píng)估示波器的波特圖，在帶寬超過1GHz時(shí)這種方法是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｐ枰霉β视?jì)來作為定標(biāo)工具！

此外，在計(jì)量波特圖時(shí)需要對(duì)示波器每個(gè)檔位都進(jìn)行計(jì)量，最終產(chǎn)生的波特圖是所有檔位的結(jié)果疊加在一起的。波特圖的計(jì)量是需要半天時(shí)間完成的，并不是想象中那么輕松的工作。如圖8所示是力科SDA9000的波特圖。

［size=1.1］其垂直軸是-1dB/div，疊加了10mv/div、20mv/div、50mv/div、200mv/div、500mv/div、1v/div等檔位的測(cè)試結(jié)果。很多時(shí)候，某些廠商惡意競(jìng)爭(zhēng)會(huì)把他們的波特圖畫成-10dB/div、只有一個(gè)檔位的測(cè)試結(jié)果拿給客戶，并和力科提供的這種-1dB/div、各種檔位疊在一起顯示的結(jié)果放在一起進(jìn)行對(duì)比，然后他們告訴客戶，他們的波特圖更平坦，更干凈，甚至將力科波特圖上面密密麻麻的點(diǎn)說成是“噪音”大。這是有點(diǎn)貽笑天下的。

圖7 示波器波特圖的計(jì)量方法

圖8 示波器實(shí)際的波特圖真相

帶寬的限制對(duì)信號(hào)的捕獲會(huì)帶來下面的影響：

1、使被測(cè)信號(hào)的上升沿變緩。

2、使信號(hào)的頻率分量減少。

3、使信號(hào)的相位失真。那么，“對(duì)于5MHz的時(shí)鐘信號(hào)，需要用多少帶寬的示波器來測(cè)量”？很多人都回答的不是嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)楹苌儆泄こ處煼磫栁遥骸斑@5MHz的時(shí)鐘信號(hào)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：“100MHz帶寬就足夠了，示波器帶寬通常是被測(cè)信號(hào)頻率的3-5倍，100MHz余量很大了。”圖13顯示了5MHz的方波信號(hào)在不同帶寬時(shí)測(cè)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(cè)試結(jié)果。圖14顯示在帶寬限制到200MHz時(shí)測(cè)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(duì)于5MHz的時(shí)鐘，因?yàn)槠渖仙龝r(shí)間比較快，最好用1GHz以上帶寬的示波器來測(cè)量其上升時(shí)間，200MHz時(shí)其上升沿變緩;1GHz帶寬和6GHz帶寬對(duì)于測(cè)試800ps的上升時(shí)間結(jié)果幾乎一樣。

圖13 5MHz時(shí)鐘信號(hào)在6GHz、1GHz和200MHz等不同帶寬時(shí)的測(cè)試波形對(duì)比

圖14 帶寬限制到200MHz時(shí)測(cè)量5MHz時(shí)鐘上升時(shí)間

圖15 6GHz帶寬時(shí)測(cè)量5MHz時(shí)鐘上升時(shí)間

對(duì)于USB2.0信號(hào)的測(cè)試，需要多少帶寬？對(duì)于PCI-EG2信號(hào)的測(cè)試需要多少帶寬？對(duì)于電源測(cè)試，需要多少帶寬？對(duì)于1000Base-T信號(hào)的測(cè)試，需要多少帶寬？對(duì)于10Gbps的背板測(cè)試，需要多少帶寬？？等等，經(jīng)常有人會(huì)問到這些問題，那么遇到這種問題該怎么解答的呢？掌握下面的三條規(guī)則基本就可以全面解決：

1、首先取決于您需要測(cè)試的信號(hào)類型及您希望的測(cè)試準(zhǔn)確度。

2、對(duì)方波信號(hào)，最重要的因素是上升時(shí)間。任何一方波信號(hào)都可以通過傅立葉變換分解成N次的諧波能量之和。N等于多少時(shí)，被測(cè)信號(hào)的能量就接近為零？這取決于上升時(shí)間！

3、對(duì)串行數(shù)據(jù)信號(hào)而言，數(shù)據(jù)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(píng)估準(zhǔn)則是：

示波器的帶寬》1.8X信號(hào)比特率。在這個(gè)準(zhǔn)則下，如果被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間》20%UI，那么1.8關(guān)系的帶寬能捕獲信號(hào)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。

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