【導(dǎo)讀】據(jù)統(tǒng)計(jì),工程師們使用示波器最頻繁的功能是“參數(shù)測(cè)量”,但很多人并不知道示波器的帶寬會(huì)影響測(cè)試結(jié)果,今天我們就以上升時(shí)間的測(cè)量為例,分析它與示波器帶寬不可分割的關(guān)系 。
上升時(shí)間的定義
信號(hào)上升時(shí)間并不是信號(hào)從低電平上升到高電平所經(jīng)歷的時(shí)間,而是其中的一部分。按常規(guī)理解就是:信號(hào)的上升時(shí)間是正向沿的較低閾值交叉點(diǎn)與較高閾值交叉點(diǎn)之間的時(shí)差。顧名思義,上升時(shí)間肯定是在信號(hào)的上升沿時(shí)測(cè)量的,較低閾值、較高閾值的取值在某些示波器中是可以自定義的,默認(rèn)為 10%、90%幅值處。而幅值的定義,就是頂部值(Top)與底部值(Buttom)之差。頂部值,即波形較高部分的眾數(shù)(最普遍值)。
為什么要測(cè)量上升時(shí)間
上升時(shí)間對(duì)電路性能有著重要的影響,比如信號(hào)上升時(shí)間的減小,會(huì)引發(fā)反射、串?dāng)_、軌道塌陷、電磁輻射、地彈等問(wèn)題。
對(duì)于數(shù)字電路,輸出的通常是方波信號(hào)。方波的上升邊沿非常陡峭,根據(jù)傅立葉分析,任何信號(hào)都可以分解成一系列不同頻率的正弦信號(hào),如下圖所示,方波中包含了非常豐富的諧波成分。疊加的諧波成分越多,波形就越像方波,諧波分量越多,上升沿越陡峭。或從另一個(gè)角度說(shuō),如果信號(hào)的上升邊沿很陡峭,上升時(shí)間很短,那該信號(hào)的帶寬就很寬。
方波的傅里葉分析
帶寬的定義
示波器組織框架
帶寬是示波器主要指標(biāo)之一,它決定了示波器測(cè)試高頻信號(hào)的能力。主要由放大器等模擬器件決定的。對(duì)于放大器來(lái)說(shuō),其增益隨著信號(hào)的頻率增高會(huì)逐漸下降。一般把放大器增益下降-3dB對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)稱(chēng)為這個(gè)放大器的帶寬,示波器的帶寬也是用同樣方法定義的。
帶寬圖解
帶寬對(duì)上升時(shí)間的影響
-3dB是按照信號(hào)的功率增益下降一半得出來(lái)的,大家都知道功率與電壓的平方成正比,故當(dāng)功率增益下降一半時(shí),電壓隨著頻率增加降為原來(lái)的0.707倍。比如給一個(gè)500MHz帶寬的示波器輸入一個(gè)500MHz,峰峰值為1V的方波信號(hào),此時(shí)測(cè)出的結(jié)果約為0.7V,所以示波器對(duì)測(cè)量信號(hào)的幅度上也會(huì)有衰減。
根據(jù)上升時(shí)間的定義,幅度的誤差必然會(huì)導(dǎo)致上升時(shí)間的出錯(cuò),從而引入了誤差。在日常使用中,對(duì)示波器測(cè)得的上升時(shí)間,必須考慮到示波器對(duì)其的影響。通常來(lái)說(shuō),可以根據(jù)示波器的帶寬,引入一個(gè)示波器自身上升時(shí)間的概念 Ttro,其定義為 Ttro=0.35/BW,BW 即為示波器的帶寬。對(duì)于 200MHz 的示波器,可得 Ttro=0.35/200MHz=0.35*5ns=1.75ns.而對(duì)于上升時(shí)間為 T 的信號(hào)來(lái)說(shuō),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,可以得出測(cè)量的上升時(shí)間為:
Tmea = sqrt(Ttro2+ T2)
T 與 Tmea 的差距,就是測(cè)量的誤差了。
下面做個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn),將一個(gè)100Mhz,邊沿為500ps的數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)接入不同帶寬示波器進(jìn)行邊沿測(cè)試。
下圖為100M帶寬示波器得到的波形結(jié)果,此時(shí)信號(hào)已明顯變形,只顯示出一個(gè)100Mhz的正弦波。
100M示波器測(cè)試圖
下圖為500M帶寬示波器得到的波形結(jié)果,得到的上升時(shí)間約為750ps。此情況下示波器對(duì)信號(hào)上升時(shí)間的測(cè)量結(jié)果比較接近示波器自身的上升時(shí)間(700ps),而不是輸入信號(hào)的上升時(shí)間500ps。但此時(shí)示波器最高能捕獲到信號(hào)的5次諧波,若對(duì)數(shù)字測(cè)量要求不高的話,此時(shí)已滿(mǎn)足測(cè)試需求。
500M示波器測(cè)試圖
下圖為2G帶寬示波器得到的波形結(jié)果,得到的上升時(shí)間約為495ps。接近輸入信號(hào)的上升時(shí)間500ps?,F(xiàn)在可以看到比較精確的時(shí)鐘信號(hào)。但此時(shí)示波器成本投入也比較大。
2G示波器測(cè)試圖
總結(jié)
對(duì)模擬應(yīng)用測(cè)試,其示波器的帶寬應(yīng)比被測(cè)的模擬信號(hào)最高頻率高2~3倍即可;
對(duì)數(shù)字應(yīng)用測(cè)試,示波器帶寬至少應(yīng)比被測(cè)設(shè)計(jì)的最快時(shí)鐘速率快5倍,此時(shí)可保證基本的信號(hào)形狀,但在需要精確測(cè)量信號(hào)的邊沿或者時(shí)序的情況下,則應(yīng)根據(jù)信號(hào)的最快邊沿估算其信號(hào)帶寬并據(jù)此決定需要的示波器帶寬。
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