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(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)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?？蓮脑O(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)

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(biāo)準(zhǔn)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。

圖3