示波器帶寬的原理及實(shí)用技巧

1、示波器基礎(chǔ)帶寬的原理及實(shí)用技巧示波器帶寬的原理示波器帶寬在測(cè)試中的應(yīng)用工程師在選擇示波器的時(shí)候，如何確定帶寬？帶寬被稱(chēng)為示波器的第一指標(biāo)，也是示波器最值錢(qián)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。在銷(xiāo)售過(guò)程中，關(guān)于帶寬的故事也特別多。通常談到的帶寬沒(méi)有特別說(shuō)明是指示波器模擬前端放大器的帶寬，也就是常說(shuō)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(shuō)數(shù)字示波器有五大功能，即捕獲（Capture），觀察（View），測(cè)量(Measurement)，分析（Analyse）和歸檔（Document）。 這五大功能組成的原理框圖如圖

2、1所示。圖1，數(shù)字示波器的原理框圖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(guò)探頭和放大器及歸 一化后轉(zhuǎn)換成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)電路在模擬電路教科書(shū)中處處可見(jiàn)。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。

3、圖3，放大器的典型電路 圖4，放大器的等效電路模型 圖5，放大器的理想波特圖至此，我們知道帶寬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(guò)程如下圖6所 示。 需要說(shuō)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(lái)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(guò)該關(guān)系式來(lái)修正實(shí)際被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間。Measur

4、ed risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2 圖6，示波器上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系第二講 示波器基礎(chǔ)之采樣率和存儲(chǔ)深度中心議題：· 示波器的采樣、采樣速率· 示波器的采樣模式· 示波器的存儲(chǔ)、存儲(chǔ)深度解決方案：· 實(shí)時(shí)采樣用來(lái)捕獲非重復(fù)性或單次信號(hào)· 等效時(shí)間采樣是對(duì)周期性波形在不同的周期中進(jìn)行采樣· 在高速串行數(shù)據(jù)的測(cè)量中用FFT來(lái)分析噪聲和干擾· 存儲(chǔ)深度采樣率×采樣時(shí)間在選擇示波器時(shí)，工程師首先需要確定測(cè)量所需的帶寬。然而當(dāng)示波器的帶寬確定后，影響

5、實(shí)際測(cè)量的恰恰是相互作用、相互制約的采樣率和存儲(chǔ)深度。圖1是數(shù)字示波器的工作原理簡(jiǎn)圖。                                           

6、0;                                 圖1數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理組成框圖輸入的電壓信號(hào)首先進(jìn)入示波器的前端放大器，放大器將信號(hào)放大或者衰減以調(diào)整信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，其輸出的信號(hào)由采樣/保持電路進(jìn)行采樣，并由A/D轉(zhuǎn)換器數(shù) 字化。經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，信號(hào)變成

7、數(shù)字形式存入存儲(chǔ)器中，微處理器對(duì)存儲(chǔ)器中的數(shù)字化信號(hào)波形進(jìn)行相應(yīng)的處理，并顯示在顯示屏上。這就是數(shù)字存儲(chǔ)示波器簡(jiǎn) 單的工作過(guò)程。采樣、采樣速率由于計(jì)算機(jī)只能處理離散的數(shù)字信號(hào)，模擬電壓信號(hào)進(jìn)入示波器后面臨的首要問(wèn)題就是連續(xù)信號(hào)的數(shù)字化（模/數(shù)轉(zhuǎn)化）問(wèn)題。通過(guò)測(cè)量等時(shí)間間隔波形的電壓幅值，并把該電壓轉(zhuǎn)化為用8位二進(jìn)制代碼表示的數(shù)字信息，這就是DSO的采樣（見(jiàn)圖2）。每?jī)纱尾蓸又g的時(shí)間間隔越小，那 么重建出來(lái)的波形就越接近原始信號(hào)。采樣率（SamplingRate）就是采樣時(shí)間間隔的倒數(shù)。例如，如果示波器的采樣率是每秒10G次 （10GSa/s），則意味著每100ps進(jìn)行一次采樣。 &

8、#160;                                                  

9、                                                  

10、                        圖2示波器的采樣第三講 示波器基礎(chǔ)之觸發(fā)功能（上）中心議題：· 示波器的觸發(fā)功能的含義解決方案：· 多用于低頻信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量中· 要點(diǎn)：觸發(fā)源、觸發(fā)點(diǎn)、觸發(fā)電平、觸發(fā)模式觸發(fā)是數(shù)字示波器區(qū)別于模擬示波器的最大特征之一。數(shù)字示波器的觸發(fā)功能非常豐富，通過(guò)設(shè)置，用戶可以看到觸發(fā)前后的信號(hào)。 對(duì)于

11、高速信號(hào)的分析，觸發(fā)應(yīng)用較少，因?yàn)橥ǔＪ遣东@很長(zhǎng)時(shí)間的波形然后做眼圖和抖動(dòng)分析。而對(duì)于低速信號(hào)的測(cè)量，觸發(fā)應(yīng)用非常頻繁，因?yàn)橥ǔ?huì)有很多雜訊 需要被隔離。示波器的采集存儲(chǔ)器是一個(gè)循環(huán)緩存，新的數(shù)據(jù)會(huì)不斷覆蓋老的數(shù)據(jù)，直到采集過(guò)程結(jié)束。觸發(fā)電路壞掉的示波器仍然可以工作，只是此時(shí)看到的波形在屏幕上來(lái)回 “晃動(dòng)”，或者說(shuō)在屏幕上閃爍，這其實(shí)相當(dāng)于將觸發(fā)模式設(shè)置為“Auto”狀態(tài)并把觸發(fā)電平設(shè)置得超過(guò)信號(hào)的最大或最小幅值。沒(méi)有觸發(fā)電路，這些采集的數(shù) 據(jù)不斷地這樣新老交替，在屏幕上視覺(jué)上感覺(jué)波形在來(lái)回“晃動(dòng)”。如圖一所示。 圖一 數(shù)字示波器的存儲(chǔ)器是循環(huán)緩存Auto Setup是自動(dòng)觸發(fā)設(shè)置，示波器根據(jù)

12、被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)自動(dòng)設(shè)置示波器的水平時(shí)基，垂直靈敏，偏置和觸發(fā)條件，使得波形能顯示在示波器上。如果不理解觸發(fā)的概念，通過(guò)Auto Setup的設(shè)置就開(kāi)始觀察，測(cè)量的結(jié)果，甚至得出的結(jié)論都是不對(duì)的。所謂觸發(fā)，專(zhuān)業(yè)的解釋是：按照需求設(shè)置一定的觸發(fā)條件，當(dāng)波形流中的某一個(gè)波形滿足這一條件時(shí)，示波器即實(shí)時(shí)捕獲該波形和其相鄰部分，并顯示在屏 幕上。觸發(fā)條件的唯一性是精確捕獲的首要條件。為了觀察特定波形之前發(fā)生的更多事件，把觸發(fā)點(diǎn)往顯示窗口右方推移一段時(shí)間，即是延遲觸發(fā)；為了了解特定波 形之后發(fā)生的更多事件，把觸發(fā)點(diǎn)往顯示窗口左方推移一段時(shí)間，即是超前觸發(fā)。如圖二所示。在數(shù)字示波器中，觸發(fā)點(diǎn)可以位于采集存儲(chǔ)

13、的記錄的任何位置。如圖 一的右邊圖形，觸發(fā)點(diǎn)停留在采集存儲(chǔ)的中間時(shí)刻。圖二 觸發(fā)的原理示意圖為了更形象地理解觸發(fā)，我們可以理解為：所謂觸發(fā)，就是“在此刻停留”，或者說(shuō)是“等待那一刻”。觸發(fā)電路可以理解為有一雙眼睛在注視在她面前走過(guò)的每一 個(gè)人（信號(hào)流），當(dāng)她看到她的意中人（觸發(fā)條件）時(shí)，她的眼睛凝視這個(gè)人，讓意中人停留在她注視的位置(觸發(fā)點(diǎn))。但她會(huì)繼續(xù)尋找她的下一個(gè)意中人。 每次找到了意中人，她都會(huì)讓意中人在她注視的位置（觸發(fā)點(diǎn)）停留。因此，她的眼睛注視點(diǎn)(觸發(fā)點(diǎn))的位置只停留那些意中人（滿足條件的波形）。第四講 示波器基礎(chǔ)之觸發(fā)功能（下）中心議題：· 示波器的觸發(fā)方式解決方案：&

14、#183; 觸發(fā)的功能：隔離感興趣的事件、同步/穩(wěn)定顯示波形· 最簡(jiǎn)單常用邊沿觸發(fā)· DDR測(cè)試常用條件觸發(fā)示波器的觸發(fā)功能主要有兩點(diǎn)：第一，隔離感興趣的事件。第二，同步波形，或者說(shuō)穩(wěn)定顯示波形。隔離感興趣的事件，就是在觸發(fā)點(diǎn)處隔離的事件是滿足觸發(fā)條件的信號(hào)。如下圖所示，在觸發(fā)點(diǎn)隔離的事件是總小于47.5ns或大于52ns的脈寬，該脈寬的計(jì)算是以觸發(fā)電平穿越觸發(fā)點(diǎn)處的脈寬波形的交叉點(diǎn)處的時(shí)間間隔。 圖一 觸發(fā)的首要功能是隔離感興趣的事件同步波形，就是找到一種觸發(fā)方式使波形不再“晃動(dòng)”，也就是找出信號(hào)的規(guī)律性來(lái)同步信 號(hào)。如圖二所示的信號(hào)，每組數(shù)據(jù)包里有四個(gè)脈沖，這

15、四個(gè)脈沖并不是等時(shí)間間隔的，如果用上升沿觸發(fā)，則波形不能同步，視覺(jué)上在“晃動(dòng)”。但是每組數(shù)據(jù)包是 等時(shí)間間隔到來(lái)的，如果以每組數(shù)據(jù)包的第一個(gè)脈沖的上升沿作為觸發(fā)源，則能穩(wěn)定顯示波形。因此可以用邊沿延遲觸發(fā)，在前一個(gè)上升沿到來(lái)之后，延遲一段時(shí)間 再觸發(fā)下一個(gè)上升沿，在上例中需要延遲的時(shí)間為標(biāo)識(shí)的藍(lán)色的時(shí)間間隔部分。下面我們來(lái)逐一解釋各種觸發(fā)方式。圖二 同步信號(hào)使波形能穩(wěn)定顯示邊沿觸發(fā)（Edge）：是最常用最簡(jiǎn)單最有效的觸發(fā)方式，絕大多數(shù)的應(yīng)用都只是用邊沿觸發(fā)來(lái)觸發(fā)波形。邊沿觸發(fā)僅是偵測(cè)信號(hào)的邊沿、極性和電平。當(dāng)被測(cè)信號(hào)的電平變化方向與設(shè)定相同(上升沿或下降沿)，其值變化到與觸發(fā)電平相同時(shí)，示波器

16、被觸發(fā)，并捕捉波形。如圖三所示，在觸發(fā)點(diǎn)停留的總是上升沿。上升沿在上升的過(guò)程中如果能達(dá)到觸發(fā)電平的高度就被觸發(fā)，否則在Normal模式下示波器上的波形靜止不動(dòng)，示意波器的右下角提示“waiting for triggering” 圖三 邊沿觸發(fā)由邊沿觸發(fā)引申的是邊沿延遲觸發(fā)（holdoff），前面在解釋示波器觸發(fā)的第二個(gè)功能時(shí)有提到。每次觸發(fā)到前一個(gè)邊沿之后，等待設(shè)定的延遲時(shí)間或延遲事件再觸發(fā)下一個(gè)滿足條件的邊沿，最長(zhǎng)可延遲20s或 9,999,999個(gè)事件。事件是相對(duì)于觸發(fā)電平而言，在圖二的例子中觸發(fā)電平在圖示位置，需要延遲3個(gè)事件；如果觸發(fā)電平超過(guò)矮脈沖的高度，則延遲兩個(gè)事件。圖

17、三是一個(gè)實(shí)際的測(cè)試案例，包絡(luò)是一系列頻率和幅值變化的正弦波信號(hào)，客戶需要知道頻率的最大值和最小值。如果不能穩(wěn)定觸發(fā)，則每次通過(guò)停止波形然后調(diào)節(jié)測(cè)量參數(shù)的門(mén)限來(lái)統(tǒng)計(jì)多次測(cè)量的最大最小值，非常繁瑣。但用邊沿延遲觸發(fā)方式同步該波形，測(cè)量的門(mén)限固定在一個(gè)范圍內(nèi)，可以方便的利用統(tǒng)計(jì)功能測(cè)量出持續(xù)捕獲到的包絡(luò)的頻率最大值和最小值。 圖四 邊沿延遲觸發(fā) 寬度和毛刺觸發(fā)：根據(jù)信號(hào)寬度值/毛刺值觸發(fā)，可選正向或負(fù)向?qū)挾?毛刺,用于捕捉信號(hào)中的罕見(jiàn)寬度/毛刺信號(hào)。圖五的觸發(fā)設(shè)置含義是，當(dāng)C2的脈沖在觸發(fā)電平處的正脈寬在90ns和120ns之間時(shí)被隔離，觸發(fā)點(diǎn)停留的位置是脈沖的下降沿。 如果觸發(fā)

18、的是負(fù)脈寬，則觸發(fā)點(diǎn)停留的位置是脈沖的上升沿。脈寬的范圍定義可以是小于、大于、在范圍內(nèi)或范圍外。毛刺觸發(fā)和寬度觸發(fā)類(lèi)似。圖五 寬度/毛刺觸發(fā)寬度/毛刺觸發(fā)在實(shí)際測(cè)試中應(yīng)用很多。圖六的例子中，客戶希望穩(wěn)定顯示該波形，能持續(xù)測(cè)量虛線范圍內(nèi)的信號(hào)的眼圖，因此，可以用正寬度觸發(fā)，但觸發(fā)電平不得高于連續(xù)信號(hào)的最低值的位置。 圖六 寬度觸發(fā)應(yīng)用 間隔觸發(fā)：根據(jù)相鄰的同極性的沿的時(shí)間來(lái)觸發(fā),正到正或負(fù)到負(fù)。設(shè)定的條件也可以小于、大于、在范圍內(nèi)或范圍外。圖七的觸發(fā)設(shè)置含義是：當(dāng)穿越觸發(fā)電平的相鄰正沿之間的時(shí)間間隔在1.5us到2.5us之間時(shí)被觸發(fā)。 圖中一定要將觸發(fā)電平設(shè)置為超過(guò)欠幅的矮

19、脈沖，否則條件永遠(yuǎn)不會(huì)滿足。 圖七 間隔觸發(fā)條件觸發(fā)：條件觸發(fā)是兩個(gè)通道之間的關(guān)聯(lián)觸發(fā)。 當(dāng)?shù)诙€(gè)波形設(shè)定條件滿足一次后，在第一個(gè)波形邊沿處觸發(fā)。圖八的觸發(fā)設(shè)置含義是：在C2的上升沿達(dá)到觸發(fā)電平200mV時(shí)，觸發(fā)C2的上升沿但前提是在這之前C3的電平曾超過(guò)了500mV。 圖八 條件觸發(fā)條件觸發(fā)常被應(yīng)用在DDR測(cè)試中。如圖九，為了看data信號(hào)C1的眼圖，設(shè)置為觸發(fā) C3的DQS信號(hào)，但前提是要等C4的TriggerPin信號(hào)達(dá)到一定的電平。 圖九 條件觸發(fā)的應(yīng)用 狀態(tài)觸發(fā)：狀態(tài)觸發(fā)和條件觸發(fā)類(lèi)似。當(dāng)?shù)诙€(gè)波形設(shè)定條件滿足并保持該狀態(tài)后，在第一個(gè)波形邊沿處觸發(fā)