測試儀器基礎(chǔ)應(yīng)用知識(shí)總結(jié)（一）

　　圖1：低通頻率響應(yīng)

　　圖2：最大平坦頻率響應(yīng)

　　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示波器比具備高斯頻響的示波器對帶內(nèi)信號(hào)的衰減較小，也就是說前者對帶內(nèi)信號(hào)的測量更精確。但具備高斯頻響的示波器比具備最大平坦頻響的示波器對代外信號(hào)的衰減小，也就是說在同樣的帶寬規(guī)格下，具備高斯頻響的示波器通常具備更快的上升時(shí)間。然而，有時(shí)對帶外信號(hào)的衰減大有助于消除那些根據(jù)奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)（fMAX 《 fS）可能造成混迭的高頻成分。關(guān)于奈奎斯特采樣理論更深入的探討，請參看安捷倫應(yīng)用筆記1587（Agilent Application Note 1587） 。

　　不論您手頭的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)通過示波器后衰減3 dB時(shí)的最低頻率視為該示波器的帶寬。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，我們不能奢望對那些主要的頻率成分接近示波器帶寬的信號(hào)進(jìn)行精確測量。

　　與示波器帶寬規(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示波器上升時(shí)間規(guī)格一般在0.4/fBW范圍上，隨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，示波器的上升時(shí)間并非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（0 ps）時(shí)，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)邊沿速度為示波器上升時(shí)間規(guī)格的3到5倍的脈沖來測量示波器的上升時(shí)間。
數(shù)字應(yīng)用需要的示波器帶寬

　　經(jīng)驗(yàn)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(shí)鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，那么該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 ≥ 5 x fclk

　　確定示波器帶寬的一個(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。Howard W. 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(jì)算示波器所需帶寬的系數(shù)

　　第三步：計(jì)算示波器帶寬

　　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(shù)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(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。

　　不同帶寬示波器對同一數(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。

　　圖3

　　從圖中可以看出，該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的示波器對許多時(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，但對于這里測量的100MHz的時(shí)鐘信號(hào)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(hào)的結(jié)果。

　　圖4

　　從圖中可以看出，該示波器最高能捕捉到信號(hào)的5次諧波，這恰好滿足了我們在前面給出的第一個(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)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(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。

　　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(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(jié)果也可能被認(rèn)為精度不夠。如果我們要求對這個(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(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。

　　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(jí)。如果2 GHz帶寬對今天的應(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13 GHz。
模擬應(yīng)用需要的示波器帶寬

　　多年之前，大多數(shù)示波器廠商就建議用戶在選擇示波器時(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帶寬示波器的真正頻率響應(yīng)。

　　圖7所示為對Agilent1-GHz帶寬示波器MSO