力科：示波器基础

关于带宽的更深入讨论,我们需要谈到示波器前端放大器幅频特性的平坦度和滚降特性。的一 篇技术白皮书中对此有非常详细的解释。htp:/w,lecroy.com/tm/Library/WhitePapers,/PDF/E ve Patterns in Scopes- designcon2005,pdf(这份白皮书的第一作者 Peter是DSP提升带宽,E ye Dcotor和DBI等原创技术的发明者) 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5Mz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,“100Mz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5Mz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87 3.87ps。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 样 File vertical Timebase Trigger Display Cursar Measure Man Ansysis Vines H 4005 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

关于带宽的更深入讨论，我们需要谈到示波器前端放大器幅频特性的平坦度和滚降特性。 的一 篇技术白皮书中对此有非常详细的解释。 http://www.lecroy.com/tm/Library/WhitePapers/PDF/E ye_Patterns_in_Scopes-designcon_2005.pdf (这份白皮书的第一作者 Peter 是 DSP 提升带宽，E ye Dcotor 和 DBI 等原创技术的发明者) 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 87 3.87ps。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

de vertical Timebase Tagger Disptay Cursors Measure Mam Anavils Titles Heip sweep Actons for trate c3 a[w[2[ Probe Aen 图14,带宽限制到200MHz时测量5MHz时钟上升时间 ie Vertical Timebase Tagger Disptay Cursors Measure Mam Analysis Lanes Heip Thebas c500 Deskew ntarpotao Actons for trate C3 [w[m【m 图15,6GHz带宽时测量5MHz时钟上升时间

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%1,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 Rise time Channel (in percent of Bandwidth U (as multiple of bit rate 0 O 10 3.497 20 1.748 30 1.166 40 0.874 50 0.699 60 0.583 70 0.5 80 0.437 90 0.389 100 0.35 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4 GH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

对于 USB2.0 信号的测试，需要多少带宽？对于 PCI-E G2 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 > 1.8 X 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。 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 4 GHz 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4Gz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4GH以上的示波器毕竟是对公司很不负责任的投资。我们知道,USB2.0 high speed的信号速率是480bps,1U大约等于2ns,20%U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 high speed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,1GH z和6GHz带宽测量结果几乎是完全一致。 因此,用1GHz的示波器就可以满足系统级应用中US B2.0 high speed的测试。但我们不太愿意推荐1GHz的示波器用于USB2.0 high speed的测试,因 为USB-IF规范上并没有这样推荐,我们很难去说明工程师接受不符合规范的带宽。我们在测试某品 牌台式机USB端口时,将带宽设为4GHz和1GHz时的上升时间对比,只相差30ps左右。我用的连接 电脑和夹具之间的连接线很短,只有十几厘米,如果用长的USB线缆,上升时间更大。 示波器基础系列之二——示波器的采样率和存储深度 带宽、采样率和存储深度是数字示波器的三大关键指标。相对于工程师们对示波器带宽的熟悉和 重视,采样率和存储深度往往在示波器的选型、评估和测试中为大家所忽视。这篇文章的目的是通过 简单介绍采样率和存储深度的相关理论结合常见的应用帮助工程师更好的理解采样率和存储深度这 两个指标的重要特征及对实际测试的影响,同时有助于我们掌握选择示波器的权衡方法,树立正确的 使用示波器的观念 在开始了解采样和存储的相关概念前,我们先回顾一下数字存储示波器的工作原理。 取和保持 放大器 采集内存 显示处爍器 信号 时基 图1数字存储示波器的原理组成框图 输入的电压信号经耦合电路后送至前端放大器,前端放大器将信号放大,以提高示波器的灵敏度 和动态范围。放大器输出的信号由取样/保持电路进行取样,并由AD转换器数字化,经过AD转换 后,信号变成了数字形式存入存储器中,微处理器对存储器中的数字化信号波形进行相应的处理,并 显示在显示屏上。这就是数字存储示波器的工作过程。 采样、采样速率

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，USB2.0 high speed 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 high speed 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，1GH z 和 6GHz 带宽测量结果几乎是完全一致。 因此，用 1GHz 的示波器就可以满足系统级应用中 US B2.0 high speed 的测试。但我们不太愿意推荐 1GHz 的示波器用于 USB2.0 high speed 的测试，因 为 USB-IF 规范上并没有这样推荐，我们很难去说明工程师接受不符合规范的带宽。我们在测试某品 牌台式机 USB 端口时，将带宽设为 4GHz 和 1GHz 时的上升时间对比，只相差 30ps 左右。我用的连接 电脑和夹具之间的连接线很短，只有十几厘米，如果用长的 USB 线缆，上升时间更大。 示波器基础系列之二 —— 示波器的采样率和存储深度 带宽、采样率和存储深度是数字示波器的三大关键指标。相对于工程师们对示波器带宽的熟悉和 重视，采样率和存储深度往往在示波器的选型、评估和测试中为大家所忽视。这篇文章的目的是通过 简单介绍采样率和存储深度的相关理论结合常见的应用帮助工程师更好的理解采样率和存储深度这 两个指标的重要特征及对实际测试的影响，同时有助于我们掌握选择示波器的权衡方法，树立正确的 使用示波器的观念。 在开始了解采样和存储的相关概念前，我们先回顾一下数字存储示波器的工作原理。 输入的电压信号经耦合电路后送至前端放大器，前端放大器将信号放大，以提高示波器的灵敏度 和动态范围。放大器输出的信号由取样/保持电路进行取样，并由 A/D 转换器数字化，经过 A/D 转换 后，信号变成了数字形式存入存储器中，微处理器对存储器中的数字化信号波形进行相应的处理，并 显示在显示屏上。这就是数字存储示波器的工作过程。 采样、采样速率

我们知道,计算机只能处理离散的数字信号。在模拟电压信号进入示波器后面临的首要问题就是 连续信号的数字化(模/数转化)问题。一般把从连续信号到离散信号的过程叫采样( sampling)。连 续信号必须经过采样和量化才能被计算机处理,因此,采样是数字示波器作波形运算和分析的基础。 通过测量等时间间隔波形的电压幅值,并把该电压转化为用八位二进制代码表示的数字信息,这就是 数字存储示波器的采样。采样电压之间的时间间隔越小,那么重建出来的波形就越接近原始信号。采 样率( sampling rate)就是采样时间间隔。比如,如果示波器的釆样率是每秒10G次(10GSas) 则意味着每100ps进行一次采样 采样是等间隔的进行 界样点 采样间隔 数字化需要 的保持时间 采样时发生了什么? 采样 数字化 存储 0I1100 I1110101 转换成为数据 顺序存储 图2示波器的采样 根据 Nyquist采样定理,当对一个最高频率为f的带限信号进行采样时,采样频率SF必须大于 f的两倍以上才能确保从采样值完全重构原来的信号。这里,f称为 Nyquist频率,2f为Nyq uist采样率。对于正弦波,每个周期至少需要两次以上的采样才能保证数字化后的脉冲序列能较为准 确的还原原始波形。如果采样率低于 Nyquist采样率则会导致混叠( Aliasing)现象。 Sampled at a/s 图3采样率SF<2f,混叠失真 图4和图5显示的波形看上去非常相似,但是频率测量的结果却相差很大,究竟哪一个是正确的? 仔细观察我们会发现图4中触发位置和触发电平没有对应起来,而且采样率只有250MS/s,图5中使

我们知道，计算机只能处理离散的数字信号。在模拟电压信号进入示波器后面临的首要问题就是 连续信号的数字化（模/数转化）问题。一般把从连续信号到离散信号的过程叫采样（sampling）。连 续信号必须经过采样和量化才能被计算机处理，因此，采样是数字示波器作波形运算和分析的基础。 通过测量等时间间隔波形的电压幅值，并把该电压转化为用八位二进制代码表示的数字信息，这就是 数字存储示波器的采样。采样电压之间的时间间隔越小，那么重建出来的波形就越接近原始信号。采 样率（sampling rate）就是采样时间间隔。比如，如果示波器的采样率是每秒 10G 次（10GSa/s）， 则意味着每 100ps 进行一次采样。 图 2 示波器的采样 根据 Nyquist 采样定理，当对一个最高频率为 f 的带限信号进行采样时，采样频率 SF 必须大于 f 的两倍以上才能确保从采样值完全重构原来的信号。这里，f 称为 Nyquist 频率，2 f 为 Nyq uist 采样率。对于正弦波，每个周期至少需要两次以上的采样才能保证数字化后的脉冲序列能较为准 确的还原原始波形。如果采样率低于 Nyquist 采样率则会导致混叠（Aliasing）现象。 图 3 采样率 SF<2 f ，混叠失真 图 4 和图 5 显示的波形看上去非常相似，但是频率测量的结果却相差很大，究竟哪一个是正确的？ 仔细观察我们会发现图 4 中触发位置和触发电平没有对应起来，而且采样率只有 250MS/s，图 5 中使