選擇合適示波器帶寬方法

　　帶寬是大多數(shù)工程師在選擇一款示波器時首先考慮的參數(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)用選擇合適的示波器帶寬。

　　數(shù)字應(yīng)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(yīng)比被測系統(tǒng)最快的數(shù)字時鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標準，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(shù)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行精確測量，那么這個簡單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實際高頻成分。

　　公式：fBW ≥ 5 x fclk

　　確定示波器帶寬的一個更準確的方法是根據(jù)數(shù)字信號中存在的最高頻率，而不是最大時鐘速率。數(shù)字信號的最高頻率要看設(shè)計中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設(shè)計中最快的信號的上升和下降時間。這一信息通常可從設(shè)計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簡單的公式計算信號的最大“實際”頻率成分。Howard W. Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數(shù)字設(shè)計》。在書中，他將這一頻率成分稱為“拐點 ”頻率(fknee)。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個拐點(或稱“knee”)，高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀就無關(guān)緊要了。

　　第二步：計算fknee

　　fknee = 0.5/RT (10% - 90%)

　　fknee = 0.4/RT (20% - 80%)

　　對于上升時間特性按照10% 到90%閥值定義的信號而言，拐點頻率fknee等于0.5除以信號的上升時間。對上升時間特性按照20% 到80%閥值定義的信號而言(如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式)，fknee等于0.4除以信號的上升時間。但注意不要把此處的信號上升時間與示波器的上升時間規(guī)格混淆了，我們這里所說的是實際的信號邊沿速度。

　　第三步就是根據(jù)測量上升時間和下降時間所需的精確程度來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(shù)帶寬規(guī)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1 GHz的通常則為最大平坦頻響型的。

　　表1：根據(jù)需要的精度和示波器頻率響應(yīng)的類型計算示波器所需帶寬的系數(shù)

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　　第三步：計算示波器帶寬

　　下面我們通過一個簡單的例子進行講解：

　　對于在測量500ps上升時間(10-90%)時具有正確的高斯頻率響應(yīng)的示波器，確定其所需的最小帶寬

　　如果信號的上升/下降時間約為500ps(按10%到90%的標準定義)，那么該信號的最大實際頻率成分((fknee)就約為1 GHz。

　　fknee = (0.5/500ps) = 1 GHz

　　如果在進行上升時間和下降時間參數(shù)測量時允許20%的定時誤差，那么帶寬為1 GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測量應(yīng)用的要求。但如果要求定時精度在3%范圍內(nèi)，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。

　　20%定時精度：

　　示波器帶寬=1.0x1GHz=1.0GHz

　　3%定時精度：

　　示波器帶寬=1.9x1GHz=1.9GHz

　　下面我們將用幾個帶寬不同的示波器對與該例中的信號具備類似特性的一個數(shù)字時鐘信號進行測量。

　　不同帶寬示波器對同一數(shù)字時鐘信號的測量比較

　　圖3給出了利用Agilent 公司帶寬為100MHz的示波器 MSO6014A測量一個邊沿速度為500ps(從10%到90%)的100MHz數(shù)字時鐘信號得到的波形結(jié)果。

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　　圖3

　　從圖中可以看出，該示波器主要只通過了該時鐘信號的100MHz基本頻率成分，因此，時鐘信號顯示出來大約是正弦波的形狀。帶寬為100MHz的示波器對許多時鐘速率在10MHz 到 20MHz 范圍的基于MCU的8bit設(shè)計而言可能非常合適，但對于這里測量的100MHz的時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(jié)果。

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　　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，這恰好滿足了我們在前面給出的第一個經(jīng)驗建議。但在我們測量上升時間時發(fā)現(xiàn)，用這臺示波器測量得到的上升時間約為750ps。在這種情況下，示波器對信號上升時間的測量就不是非常準確，它得到的測量結(jié)果實際上很接近它自己的上升時間(700ps)，而不是輸入信號的上升時間(接近500ps)。這說明，如果時序測量比較重要，那么我們就需要用更高帶寬的示波器才能滿足這一數(shù)字測量應(yīng)用的要求。