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示波器基础系列美国力科公司深圳代表处〇、序言这部小册子由美国力科深圳代表处的工作人员共同编写，发表于网络博客上该小册子基于力科公司生产的示波器对相关示波器的诸多问题做了讲解，并将力科公司的示波器与其他厂商生产的示波器在某些方面做了比较由于力科公司是生产示波器的大厂商之一，其员工在示波器方面相当专业，具有较大参考价值其中汪进进编写了本书第一、第三、第四、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十三章，李军编写了第二、第十二章、第十四章，张昌骏编写了第五章，李海龙编写了第十六章，第十五章作者不明该版本由清华大学电子系陈于思从网上整理得来，仅供大家学习研究使用，未经作者许可不得用于商业用途一、关于示波器带宽带宽被称为示波器的第一指标，也是示波器最值钱的指标示波器市场的划分常以带宽作为首要依据，工程师在选择示波器的时候，首先要确定的也是带宽在销售过程中，关于带宽的故事也特别多通常谈到的带宽没有特别说明是指示波器模拟前端放大器的带宽，也就是常说的-3dB截止频率点此外，还有数字带宽，触发带宽的概念我们常说数字示波器有五大功能，即捕获（Capture），观察（View），测量（Measurement），分析（Analyze）和归档（Document）。

这五大功能组成的原理框图如图1所示图1，数字示波器的原理框图捕获部分主要是由三颗芯片和一个电路组成，即放大器芯片、A/D芯片，存储器芯片和触发器电路，原理框图如下图2所示被测信号首先经过探头和放大器及归一化后成ADC可以接收的电压范围，采样和保持电路按固定采样率将信号分割成一个个独立的采样电平，ADC将这些电平转化成数字的采样点，这些数字采样点保存在采集存储器里送显示和测量分析处理图2，示波器捕获电路原理框图示波器放大器的典型电路如图3所示这个电路在模拟电路的教科书上处处可见这种放大器可以等效为RC低通滤波器如图4所示由此等效电路推导出输出电压和输入电压的关系，得出理想的幅频特性的波特图如图5所示图3，放大器的典型电路图4，放大器的等效电路模型图5，放大器的理想波特图至此，我们知道带宽f2即输出电压降低到输入电压70.7%时的频率点根据放大器的等效模型，我们可进一步推导示波器的上升时间和带宽的关系式，即我们常提到的0.35的关系：上升时间=0.35/带宽，推导过程如下图6所示需要说明的是，0.35是基于高斯响应的理论值，实际测量系统中这个数值往往介于0.35-0.45之间在示波器的datasheet上都会标明”上升时间”指标。

示波器测量出来的上升时间与真实的上升时间之间存在下面的关系式在对快沿信号测试中，需要通过该关系式来修正实际被测信号的上升时间图6，示波器上升时间和带宽的关系示波器前端放大器幅频特性的波特图是新示波器发布的”出生证”示波器每年需要进行校准，波特图是第一需要校准的数据示波器波特图的测量方法如图7所示信号源从10MHz频率开始逐渐递增发送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器将输入的信号能量等分为二后通过等长的线缆分别送到示波器和功率计功分器和线缆是无源器件，可以严格定标，信号源本身的幅频特性不可以作为定标仪器，需要通过功率计实测的能量来作为示波器的输入幅值的定标值有时候客户会对示波器的波特图很感兴趣，直接用信号源连接到示波器来评估示波器的波特图，在带宽超过1GHz时这种方法是很不严谨的需要用功率计来作为定标工具！2006年二月份的EDN杂志中有文章介绍 order Bessel(力科)和Maximally Flat（安捷伦）Gaussian响应在-3dB之后仍衰减很慢其优点是允许被测信号的更高频率成分的谐波能量通过放大器（这是假定其有采样率远超过Nyquist），对于特别快的快沿测量有帮助其缺点是在低频段使被测信号严重衰减，特别是对3次谐波的衰减严重，导致眼图测量中产生"花生眼"。

Maximally Flat响应或者说矩形响应似乎是最接近我们教科书上对幅频特性的定义但幅频特性接近理想状况并不意味着是最适合用于示波器的放大器前端其对于带宽范围内的正弦波测量有优势，但由于实际测量信号多是方波信号，矩形响应对于超过带宽范围内的高次谐波完全消除掉，会带来严重的相位失真假想您购买的1GHz示波器是用于200MHz的信号测量，矩形响应会将５次谐波以上的能量完全消除掉这对于上升沿比较快的脉冲信号测量是有问题的力科的4th oder Bessel响应曲线是对前两种的折衷考虑它在频率含量最丰富的3次谐波含量衰减很小，在接近带宽的频段的相位信息没有失真这对于串行信号测量是非常完美的幅频特性曲线下面图9是用力科采样示波器WE100H测量的5Gbps眼图，因为采样示波器带宽高，噪音小，A/D位数高，可作为周期重复性信号的眼图测量的标准图10是用力科SDA1100测量的5Gbps眼图图11是用其它品牌的12GHz示波器测量的5Gbps眼图一个有趣的现象是，12GHz带宽测量的眼图有”花生眼”出现图12可以一目了然揭示出”花生眼”产生的原因，5Gbps串行信号的三次谐波是7.5GHz，高斯响应曲线在3次谐波处的衰减很大。

图8，示波器实际的波特图真相图9，用采样示波器测量5Gbps眼图图10，用力科11GHz带宽的SDA11000测量5Gbps眼图图11，用其他品牌12GHz示波器测量5Gbps眼图图12，不同幅频特性曲线的对比我们知道，带宽的限制对信号的捕获会带来下面的影响：1，使被测信号的上升沿变缓2，使信号的频率分量减少3，使信号的相位失真那么，”对于5MHz的时钟信号，需要用多少带宽的示波器来测量？”这是我在培训时常问的一个问题我很少能得到令我满意的答案，很少有工程师反问我：”这5MHz的时钟信号是方波还是正弦波，如果是方波，其上升时间是多少？”我常得到的回答是，”100MHz带宽就足够了，示波器带宽通常是被测信号频率的3-5倍，100MHz余量很大了图13显示了5MHz的方波信号在不同带宽时测试出的波形其中，M1和M2是分别在6GHz和1GHz时波形，C3是带宽限制到200MHz的测试结果图14显示在带宽限制到200MHz时测量出的5MHz的上升时间均值为本1.70357ns，而图15显示的是在6GHz带宽时的上升时间为873.87ps这表明，对于5MHz的时钟，因为其上升时间比较快，最好用1GHz以上带宽的示波器来测量其上升时间，200MHz时其上升沿变缓；1GHz带宽和6GHz带宽对于测试800ps的上升时间结果几乎一样。

图13，5MHz时钟信号在6GHz、1GHz和200MHz等不同带宽时的测试波形对比图14，带宽限制到200MHz时测量5MHz时钟上升时间图15，6GHz带宽时测量5MHz时钟上升时间对于USB2.0信号的测试，需要多少带宽？对于PCI-EG2信号的测试需要多少带宽？对于电源测试，需要多少带宽？对于1000Base-T信号的测试，需要多少带宽？对于10Gbps的背板测试，需要多少带宽？我们常要回答这些问题下面的三条规则就是我们的回答1、 首先取决于您需要测试的信号类型及您希望的测试准确度2、 对方波信号，最重要的因素是上升时间任何一方波信号都可以通过傅立叶变换分解成N次的谐波能量之和N等于多少时，被测信号的能量就接近为零？这取决于上升时间！这在Peter的白皮书中也有非常详细讨论3、 对串行数据信号而言，数据比特率和上升时间是最重要的两个因素有一个非常好的评估准则是：示波器的带宽>1.8X信号比特率.在这个准则下，如果被测信号的上升时间>20%UI,那么1.8关系的带宽能捕获信号能量的99%下面的图表给出了不同的上升时间和带宽之间的关系RiseTime(inpercentofUI)ChannelBandwidth(asamultipleofbitrate)0∞103.497201.748301.116400.874500.699600.583700.5800.437900.3891000.35基于上面的原则，我们就很好理解为什么有些客户会用6GHz的示波器测试100MHz的时钟，但又用6GHz的示波器测试3.125Gbps的XAUI信号。

请大家忘记所谓的3-5倍这个关系，太不严谨的表达了！关于带宽，我常喜欢讲下面这个故事：大家知道，对于USB2.0一致性测试，USB-IF规范一开始要求的带宽是4GHz的示波器，因为那时候是只有一家示波器公司先发布这个测试软件包所以那时候USB2.0很火的时候，这家公司的4GHz示波器很火，但等到其他两家的USB2.0都发布的时候，USB-IF把这个规范标准降为2.5GHz的示波器，但等到另外一个非主流的第四家示波器厂商也搞出USB2.0的软件包的时候，USB-IF把这家1.5GHz带宽的示波器也认了这其实只是说明了这家公司的公关能力蛮强的，也说明国外的权威标准组织也是讲政治的对于USB2.0信号的测试，多少带宽的示波器的合适的呢？如果您有钱投资，买4GHz或6GHz当然更好，低频段幅频特性的平坦度总会好些嘛但我们是需要做负责任的投资的，仅仅为测试USB.20而购买4GHz以上的示波器毕竟是对公司很不负责任的投资我们知道，USB2.0highspeed的信号速率是480Mbps，1UI大约等于2ns，20%UI大约等于400ps，USB上升时间最小值是500ps对于USB芯片管脚的信号，其上升时间可能为500ps，对于系统级应用，示波器测试到的USB2.0的highspeed信号通常都是从USB芯片输出管脚经过了一段PCB走线和一段USB连接线，示波器测试出来的上升时间很多时候都超过了1ns!图13的例子已清楚表明对于800ps上升时间，1GHz和6GHz带宽测量结果几乎是完全一致。

因此，用1GHz的示波器就。