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怎樣根據(jù)被測信號(hào)選擇示波器的帶寬和采樣率
名稱：示波器
品牌：
型號(hào)：
簡介：針對(duì)如何選擇高端示波器，艾克賽普小編提供了一下怎樣根據(jù)被測信號(hào)選擇示波器的帶寬和采樣率的幾個(gè)問題答案：1、針對(duì)某一特定被測信號(hào)，是否是所用實(shí)時(shí)示波器系統(tǒng)帶寬越高，量測精度越高？ 2、目前的示波器校準(zhǔn)儀只能工作到6.4GHz帶寬，目前有大量示...
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針對(duì)如何選擇高端示波器，艾克賽普小編提供了一下怎樣根據(jù)被測信號(hào)選擇示波器的帶寬和采樣率的幾個(gè)問題答案：
1、針對(duì)某一特定被測信號(hào)，是否是所用實(shí)時(shí)示波器系統(tǒng)帶寬越高，量測精度越高？
2、目前的示波器校準(zhǔn)儀只能工作到6.4GHz帶寬，目前有大量示波器帶寬已經(jīng)超過6GHz，甚至60GHz , 這樣的高帶寬實(shí)時(shí)示波器，如何進(jìn)行計(jì)量？
3、針對(duì)某一特定被測信號(hào)，是否是所用實(shí)時(shí)示波器采樣率越高，量測精度越高？
問題1：針對(duì)某一特定被測信號(hào)，是否是所用實(shí)時(shí)示波器系統(tǒng)帶寬越高，量測精度越高？
答案(安捷倫科技杜吉偉提供) ： 這個(gè)問題分兩部分，一個(gè)是要足夠，另一是足夠以后是否越高越好。首先，我們來看多少帶寬算是足夠，業(yè)界流傳多種版本計(jì)算所需實(shí)時(shí)示波器帶寬，這里要說明的是，不管有多少個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則或公式來估算所需示波器帶寬，示波器帶寬的定義沒有變，就是輸入一個(gè)正弦波，保持幅度不變，增加信號(hào)頻率，當(dāng)示波器上顯示的信號(hào)是實(shí)際信號(hào)幅度的70.7%(即3dB衰減)的時(shí)候，該對(duì)應(yīng)的頻率就等于示波器帶寬。
版本1 ，利用被測正弦波號(hào)頻率來計(jì)算所需示波器帶寬。如果被測信號(hào)是正弦波，則所需示波器帶寬是其頻率的3倍，或者所示波器自身的上升時(shí)間應(yīng)該比被測正弦波信號(hào)快3倍。由于早期的示波器，不管是模擬示波器，還是數(shù)字示波器，其頻率響應(yīng)都是高斯頻響，示波器自身帶寬的定義是0.35/Tr , Tr為示波器自身的上升時(shí)間(10%～90%)。示波器自身的上升時(shí)間要比被測對(duì)象快3倍，因此人們?cè)诤荛L一段時(shí)間內(nèi)使用用公式，示波器帶寬＝ 0.35/Tr x 3，這個(gè)公式的Tr指的是被測信號(hào)的上升時(shí)間(10%~90%) 。這種說法假設(shè)前提條件，就是示波器是高斯頻響，被測信號(hào)是正弦波，在日常工作中，有時(shí)會(huì)忘記或忽略該前提條件(這也在示波器計(jì)量領(lǐng)域引起對(duì)所需階躍信號(hào)邊沿速度的爭議或誤解)。
版本2 ，利用被測信號(hào)方波或時(shí)鐘信號(hào)頻率來計(jì)算所需示波器帶寬。如果被測信號(hào)是方波或時(shí)鐘信號(hào)，人們認(rèn)為示波器帶寬因該至少能夠觀察到5次諧波。這種說法同樣存在假設(shè)前提條件，就是被測方波信號(hào)的5次諧波能量仍在示波器本底噪聲之上，而7次諧波在淹沒在示波器本底噪聲中，問題是，這一點(diǎn)如何來確定，比如PCI-E 3.0 的信號(hào)速率是8Gbps，基波是4GHz，五次諧波是20GHz，那么PCI-E 3.0的測試一定需要20GHz 帶寬嗎？答案是如果其5次諧波能量很小，落在你所用的示波器本底噪聲之下，你用20GHz帶寬示波器仍然觀察不到5次諧波。
版本3，利用被測信號(hào)的最快上升時(shí)間來確定所需示波器帶寬。這是精確量的公式，因沒有特定的假設(shè)前提條件，適用于更多的場合。該公式出自Howard W Johnson 的一本書《High Speed Digital Design --- A handbook of Black Magic》，假設(shè)您可以接受3%的測量誤差，被測信號(hào)給出10%~90%的上升時(shí)間，則公式是 示波器帶寬 ＝ 0.5/Tr x 1.4 ，若給出的上升時(shí)間是20%~80%，則公式是示波器帶寬 ＝ 0.4/Tr x 1.4 . 詳情可參見技術(shù)文章http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-5733CHCN.pdf
回到問題本身，如果示波器帶寬超過所需的實(shí)際帶寬，測量的精度會(huì)變得更好嗎？答案是取決于你怎么用，如果你用的是示波器的滿帶寬，測量精度只會(huì)變地更差；如果你使用該示波器的帶寬限制功能，則測量精度有可能變得更好或不變。這是因?yàn)樗惺静ㄆ鞫加斜镜自肼?，其中白噪聲占很大比重，白噪聲本身是無限寬帶噪聲，示波器帶寬越大，進(jìn)來的噪聲也越多，從而使得測量精度越差。因此大多高端示波器都支持帶寬限制功能（有時(shí)也稱作降噪功能），可以將示波器帶寬降低，典型的應(yīng)用如電源噪聲測試，工程師有時(shí)會(huì)故意將示波器帶寬限制設(shè)置為20MHz，而不是用其滿帶寬設(shè)置，另一個(gè)例子是USB2.0的測試，USB-IF建議使用2.0GHz帶寬示波器，如果你碰巧有一個(gè)8GHz示波器，有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)，2.0GHz帶寬示波器測試通過的情況，而用該示波器測試不通過，而你將該示波器帶寬限制為2.0GHz，測試又通過了。 那么會(huì)不會(huì)出現(xiàn)，將25G Hz帶寬限制到2.0GHz帶寬測量結(jié)果比使用一臺(tái)2.0GHz帶寬更精確呢？有可能，如果你的25GHz示波器是低噪聲半導(dǎo)體工藝示波器，比如DSOX92004A 或DSOX92004Q ，其采用磷化銦半導(dǎo)體工藝，相同帶寬限制下，其本底噪聲是所有示波器中最底的。目前采用磷化銦技術(shù)的示波器，最高指標(biāo)是實(shí)時(shí)帶寬63GHz，DSOX96204Q ，于2012年4月，由安捷倫科技推出。
問題2、目前的示波器校準(zhǔn)儀只能工作到6.4GHz帶寬，目前有大量示波器帶寬已經(jīng)超過6GHz，甚至60GHz , 這樣的高帶寬實(shí)時(shí)示波器，如何進(jìn)行計(jì)量？
答案(安捷倫科技杜吉偉提供) ：現(xiàn)在實(shí)時(shí)示波器最高帶寬是安捷倫科技推出的63GHz示波器，除了這款63GHz帶寬實(shí)時(shí)示波器外，市面上的示波器帶寬有50GHz, 33GHz, 30GHz, 28GHz ,25GHz , 20GHz , 16GHz, 13GHz , 12GHz, 8GHz等，示波器的計(jì)量參數(shù)有很多，有很多不會(huì)隨著示波器帶寬變化而變化，有兩個(gè)項(xiàng)目的計(jì)量的確會(huì)隨著帶寬提升而變化，包括-3dB帶寬和示波器上升時(shí)間。-3dB帶寬可以使用掃頻信號(hào)源，比如安捷倫科技的PSG, 可輸出高達(dá)67GHz的正弦波。上升時(shí)間的計(jì)量則可使用安捷倫科技提供的N2806A階躍產(chǎn)生器，安捷倫科技內(nèi)部就是使用該階躍產(chǎn)生器計(jì)量其示波器產(chǎn)品的，該產(chǎn)品的詳細(xì)信息，可參見http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5991-0263EN.pdf ，其中也介紹了如何結(jié)合精密電纜(PrecisionProbe)軟件來消除計(jì)量中所用電纜或探頭帶來的誤差。 這里面有一點(diǎn)和大家分享一下，對(duì)高斯頻響示波器，流傳一個(gè)說法，示波器的上升時(shí)間應(yīng)該是被測對(duì)象的3倍，該說法不適用于現(xiàn)代高端實(shí)時(shí)示波器，因?yàn)樗麄兊念l響都不是高斯頻響，大多是最大平坦度頻響，或者介于高斯和最大平坦度頻響之間。
問題3：針對(duì)某一特定被測信號(hào)，是否是所用示波器采樣率越高，量測精度越高？
答案(安捷倫科技杜吉偉提供)：示波器的采樣率首先要夠，也就是說，對(duì)高斯頻響示波器，其采樣率應(yīng)該是帶寬的4倍或以上，對(duì)最大平坦度頻響示波器，其采樣率應(yīng)該是帶寬的2.5倍或以上(典型產(chǎn)品舉例，安捷倫DSOX3104A 1GHz帶寬示波器，采樣率由 5GSa/s采樣降低為2.5GSa/s采樣，仍可保證1GHz帶寬)，對(duì)高斯頻響的7104B系列示波器，其采樣率由4GSa/s降為2GSa/s，則實(shí)時(shí)帶寬也會(huì)從1GHz降到500MHz。
其次，并不一定是采樣率越高，量測精度越高。這時(shí)因?yàn)?，采樣率較高的情況下，要做到采樣等間距不是件容易的事情，在有些情況下，情況正好相反。
圖1、用6GHz帶寬示波器測量100ps上升沿（20%~80%）的1.25GHz方波，20GSa/s和40GSa/s采樣率對(duì)上升時(shí)間的測量結(jié)果是一樣的。
圖2、觀察1GHz正弦波，4GSa/s的采集和測量結(jié)果比20GSa/s采樣率的結(jié)果更加準(zhǔn)確，同樣的結(jié)果也體現(xiàn)在有時(shí)候，50GSa/s 比100GSa/s采樣率測量精度更高，這在廠家的技術(shù)手冊(cè)上也有說明，對(duì)于有的被測信號(hào)，如基波頻率分別為3GHz, 4GHz ,5GHz的應(yīng)用，SATA 6Gbps , PCI-E 8Gbps , 10Gbps , 根據(jù)有些示波器的Technical Reference Manual , 其ADC等效位數(shù)在100GSa/s采樣下，更差，反而是50GSa/s更好。 如下圖所示
圖3、以示波器的有效位數(shù)為例子，上圖來自示波器的技術(shù)參考手冊(cè)，針對(duì)基波頻率是3GHz, 4GHz ,5GHz，6GHz 的情況下，示波器的實(shí)際有效位數(shù)反而是50GSa/s比100GSa/s更好。
這里無意對(duì)比不同廠家的示波器，只是說明一下，采樣率越高，測量精度越高，貌似正確，但并不是適用于所有場合，因?yàn)槿藗兺雎粤四承┘僭O(shè)前提的存在。
1、針對(duì)某一特定被測信號(hào)，是否是所用實(shí)時(shí)示波器系統(tǒng)帶寬越高，量測精度越高？
2、目前的示波器校準(zhǔn)儀只能工作到6.4GHz帶寬，目前有大量示波器帶寬已經(jīng)超過6GHz，甚至60GHz , 這樣的高帶寬實(shí)時(shí)示波器，如何進(jìn)行計(jì)量？
3、針對(duì)某一特定被測信號(hào)，是否是所用實(shí)時(shí)示波器采樣率越高，量測精度越高？
問題1：針對(duì)某一特定被測信號(hào)，是否是所用實(shí)時(shí)示波器系統(tǒng)帶寬越高，量測精度越高？
答案(安捷倫科技杜吉偉提供) ： 這個(gè)問題分兩部分，一個(gè)是要足夠，另一是足夠以后是否越高越好。首先，我們來看多少帶寬算是足夠，業(yè)界流傳多種版本計(jì)算所需實(shí)時(shí)示波器帶寬，這里要說明的是，不管有多少個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則或公式來估算所需示波器帶寬，示波器帶寬的定義沒有變，就是輸入一個(gè)正弦波，保持幅度不變，增加信號(hào)頻率，當(dāng)示波器上顯示的信號(hào)是實(shí)際信號(hào)幅度的70.7%(即3dB衰減)的時(shí)候，該對(duì)應(yīng)的頻率就等于示波器帶寬。
版本1 ，利用被測正弦波號(hào)頻率來計(jì)算所需示波器帶寬。如果被測信號(hào)是正弦波，則所需示波器帶寬是其頻率的3倍，或者所示波器自身的上升時(shí)間應(yīng)該比被測正弦波信號(hào)快3倍。由于早期的示波器，不管是模擬示波器，還是數(shù)字示波器，其頻率響應(yīng)都是高斯頻響，示波器自身帶寬的定義是0.35/Tr , Tr為示波器自身的上升時(shí)間(10%～90%)。示波器自身的上升時(shí)間要比被測對(duì)象快3倍，因此人們?cè)诤荛L一段時(shí)間內(nèi)使用用公式，示波器帶寬＝ 0.35/Tr x 3，這個(gè)公式的Tr指的是被測信號(hào)的上升時(shí)間(10%~90%) 。這種說法假設(shè)前提條件，就是示波器是高斯頻響，被測信號(hào)是正弦波，在日常工作中，有時(shí)會(huì)忘記或忽略該前提條件(這也在示波器計(jì)量領(lǐng)域引起對(duì)所需階躍信號(hào)邊沿速度的爭議或誤解)。
版本2 ，利用被測信號(hào)方波或時(shí)鐘信號(hào)頻率來計(jì)算所需示波器帶寬。如果被測信號(hào)是方波或時(shí)鐘信號(hào)，人們認(rèn)為示波器帶寬因該至少能夠觀察到5次諧波。這種說法同樣存在假設(shè)前提條件，就是被測方波信號(hào)的5次諧波能量仍在示波器本底噪聲之上，而7次諧波在淹沒在示波器本底噪聲中，問題是，這一點(diǎn)如何來確定，比如PCI-E 3.0 的信號(hào)速率是8Gbps，基波是4GHz，五次諧波是20GHz，那么PCI-E 3.0的測試一定需要20GHz 帶寬嗎？答案是如果其5次諧波能量很小，落在你所用的示波器本底噪聲之下，你用20GHz帶寬示波器仍然觀察不到5次諧波。
版本3，利用被測信號(hào)的最快上升時(shí)間來確定所需示波器帶寬。這是精確量的公式，因沒有特定的假設(shè)前提條件，適用于更多的場合。該公式出自Howard W Johnson 的一本書《High Speed Digital Design --- A handbook of Black Magic》，假設(shè)您可以接受3%的測量誤差，被測信號(hào)給出10%~90%的上升時(shí)間，則公式是 示波器帶寬 ＝ 0.5/Tr x 1.4 ，若給出的上升時(shí)間是20%~80%，則公式是示波器帶寬 ＝ 0.4/Tr x 1.4 . 詳情可參見技術(shù)文章http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-5733CHCN.pdf
回到問題本身，如果示波器帶寬超過所需的實(shí)際帶寬，測量的精度會(huì)變得更好嗎？答案是取決于你怎么用，如果你用的是示波器的滿帶寬，測量精度只會(huì)變地更差；如果你使用該示波器的帶寬限制功能，則測量精度有可能變得更好或不變。這是因?yàn)樗惺静ㄆ鞫加斜镜自肼?，其中白噪聲占很大比重，白噪聲本身是無限寬帶噪聲，示波器帶寬越大，進(jìn)來的噪聲也越多，從而使得測量精度越差。因此大多高端示波器都支持帶寬限制功能（有時(shí)也稱作降噪功能），可以將示波器帶寬降低，典型的應(yīng)用如電源噪聲測試，工程師有時(shí)會(huì)故意將示波器帶寬限制設(shè)置為20MHz，而不是用其滿帶寬設(shè)置，另一個(gè)例子是USB2.0的測試，USB-IF建議使用2.0GHz帶寬示波器，如果你碰巧有一個(gè)8GHz示波器，有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)，2.0GHz帶寬示波器測試通過的情況，而用該示波器測試不通過，而你將該示波器帶寬限制為2.0GHz，測試又通過了。 那么會(huì)不會(huì)出現(xiàn)，將25G Hz帶寬限制到2.0GHz帶寬測量結(jié)果比使用一臺(tái)2.0GHz帶寬更精確呢？有可能，如果你的25GHz示波器是低噪聲半導(dǎo)體工藝示波器，比如DSOX92004A 或DSOX92004Q ，其采用磷化銦半導(dǎo)體工藝，相同帶寬限制下，其本底噪聲是所有示波器中最底的。目前采用磷化銦技術(shù)的示波器，最高指標(biāo)是實(shí)時(shí)帶寬63GHz，DSOX96204Q ，于2012年4月，由安捷倫科技推出。
問題2、目前的示波器校準(zhǔn)儀只能工作到6.4GHz帶寬，目前有大量示波器帶寬已經(jīng)超過6GHz，甚至60GHz , 這樣的高帶寬實(shí)時(shí)示波器，如何進(jìn)行計(jì)量？
答案(安捷倫科技杜吉偉提供) ：現(xiàn)在實(shí)時(shí)示波器最高帶寬是安捷倫科技推出的63GHz示波器，除了這款63GHz帶寬實(shí)時(shí)示波器外，市面上的示波器帶寬有50GHz, 33GHz, 30GHz, 28GHz ,25GHz , 20GHz , 16GHz, 13GHz , 12GHz, 8GHz等，示波器的計(jì)量參數(shù)有很多，有很多不會(huì)隨著示波器帶寬變化而變化，有兩個(gè)項(xiàng)目的計(jì)量的確會(huì)隨著帶寬提升而變化，包括-3dB帶寬和示波器上升時(shí)間。-3dB帶寬可以使用掃頻信號(hào)源，比如安捷倫科技的PSG, 可輸出高達(dá)67GHz的正弦波。上升時(shí)間的計(jì)量則可使用安捷倫科技提供的N2806A階躍產(chǎn)生器，安捷倫科技內(nèi)部就是使用該階躍產(chǎn)生器計(jì)量其示波器產(chǎn)品的，該產(chǎn)品的詳細(xì)信息，可參見http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5991-0263EN.pdf ，其中也介紹了如何結(jié)合精密電纜(PrecisionProbe)軟件來消除計(jì)量中所用電纜或探頭帶來的誤差。 這里面有一點(diǎn)和大家分享一下，對(duì)高斯頻響示波器，流傳一個(gè)說法，示波器的上升時(shí)間應(yīng)該是被測對(duì)象的3倍，該說法不適用于現(xiàn)代高端實(shí)時(shí)示波器，因?yàn)樗麄兊念l響都不是高斯頻響，大多是最大平坦度頻響，或者介于高斯和最大平坦度頻響之間。
問題3：針對(duì)某一特定被測信號(hào)，是否是所用示波器采樣率越高，量測精度越高？
答案(安捷倫科技杜吉偉提供)：示波器的采樣率首先要夠，也就是說，對(duì)高斯頻響示波器，其采樣率應(yīng)該是帶寬的4倍或以上，對(duì)最大平坦度頻響示波器，其采樣率應(yīng)該是帶寬的2.5倍或以上(典型產(chǎn)品舉例，安捷倫DSOX3104A 1GHz帶寬示波器，采樣率由 5GSa/s采樣降低為2.5GSa/s采樣，仍可保證1GHz帶寬)，對(duì)高斯頻響的7104B系列示波器，其采樣率由4GSa/s降為2GSa/s，則實(shí)時(shí)帶寬也會(huì)從1GHz降到500MHz。
其次，并不一定是采樣率越高，量測精度越高。這時(shí)因?yàn)?，采樣率較高的情況下，要做到采樣等間距不是件容易的事情，在有些情況下，情況正好相反。
圖1、用6GHz帶寬示波器測量100ps上升沿（20%~80%）的1.25GHz方波，20GSa/s和40GSa/s采樣率對(duì)上升時(shí)間的測量結(jié)果是一樣的。
圖2、觀察1GHz正弦波，4GSa/s的采集和測量結(jié)果比20GSa/s采樣率的結(jié)果更加準(zhǔn)確，同樣的結(jié)果也體現(xiàn)在有時(shí)候，50GSa/s 比100GSa/s采樣率測量精度更高，這在廠家的技術(shù)手冊(cè)上也有說明，對(duì)于有的被測信號(hào)，如基波頻率分別為3GHz, 4GHz ,5GHz的應(yīng)用，SATA 6Gbps , PCI-E 8Gbps , 10Gbps , 根據(jù)有些示波器的Technical Reference Manual , 其ADC等效位數(shù)在100GSa/s采樣下，更差，反而是50GSa/s更好。 如下圖所示
圖3、以示波器的有效位數(shù)為例子，上圖來自示波器的技術(shù)參考手冊(cè)，針對(duì)基波頻率是3GHz, 4GHz ,5GHz，6GHz 的情況下，示波器的實(shí)際有效位數(shù)反而是50GSa/s比100GSa/s更好。
這里無意對(duì)比不同廠家的示波器，只是說明一下，采樣率越高，測量精度越高，貌似正確，但并不是適用于所有場合，因?yàn)槿藗兺雎粤四承┘僭O(shè)前提的存在。
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