怎樣根據被測信號選擇示波器的帶寬和采樣率
名稱：示波器
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簡介：針對如何選擇高端示波器，艾克賽普小編提供了一下怎樣根據被測信號選擇示波器的帶寬和采樣率的幾個問題答案：1、針對某一特定被測信號，是否是所用實時示波器系統(tǒng)帶寬越高，量測精度越高？ 2、目前的示波器校準儀只能工作到6.4GHz帶寬，目前有大量示...
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針對如何選擇高端示波器，艾克賽普小編提供了一下怎樣根據被測信號選擇示波器的帶寬和采樣率的幾個問題答案：
1、針對某一特定被測信號，是否是所用實時示波器系統(tǒng)帶寬越高，量測精度越高？
2、目前的示波器校準儀只能工作到6.4GHz帶寬，目前有大量示波器帶寬已經超過6GHz，甚至60GHz , 這樣的高帶寬實時示波器，如何進行計量？
3、針對某一特定被測信號，是否是所用實時示波器采樣率越高，量測精度越高？
問題1：針對某一特定被測信號，是否是所用實時示波器系統(tǒng)帶寬越高，量測精度越高？
答案(安捷倫科技杜吉偉提供) ： 這個問題分兩部分，一個是要足夠，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)界流傳多種版本計算所需實時示波器帶寬，這里要說明的是，不管有多少個經驗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，就是輸入一個正弦波，保持幅度不變，增加信號頻率，當示波器上顯示的信號是實際信號幅度的70.7%(即3dB衰減)的時候，該對應的頻率就等于示波器帶寬。
版本1 ，利用被測正弦波號頻率來計算所需示波器帶寬。如果被測信號是正弦波，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間應該比被測正弦波信號快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間(10%～90%)。示波器自身的上升時間要比被測對象快3倍，因此人們在很長一段時間內使用用公式，示波器帶寬＝ 0.35/Tr x 3，這個公式的Tr指的是被測信號的上升時間(10%~90%) 。這種說法假設前提條件，就是示波器是高斯頻響，被測信號是正弦波，在日常工作中，有時會忘記或忽略該前提條件(這也在示波器計量領域引起對所需階躍信號邊沿速度的爭議或誤解)。
版本2 ，利用被測信號方波或時鐘信號頻率來計算所需示波器帶寬。如果被測信號是方波或時鐘信號，人們認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前提條件，就是被測方波信號的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，這一點如何來確定，比如PCI-E 3.0 的信號速率是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，利用被測信號的最快上升時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》，假設您可以接受3%的測量誤差，被測信號給出10%~90%的上升時間，則公式是 示波器帶寬 ＝ 0.5/Tr x 1.4 ，若給出的上升時間是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際帶寬，測量的精度會變得更好嗎？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。這是因為所有示波器都有本底噪聲，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（有時也稱作降噪功能），可以將示波器帶寬降低，典型的應用如電源噪聲測試，工程師有時會故意將示波器帶寬限制設置為20MHz，而不是用其滿帶寬設置，另一個例子是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8GHz示波器，有機會發(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。 那么會不會出現(xiàn)，將25G Hz帶寬限制到2.0GHz帶寬測量結果比使用一臺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體工藝示波器，比如DSOX92004A 或DSOX92004Q ，其采用磷化銦半導體工藝，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的示波器，最高指標是實時帶寬63GHz，DSOX96204Q ，于2012年4月，由安捷倫科技推出。
問題2、目前的示波器校準儀只能工作到6.4GHz帶寬，目前有大量示波器帶寬已經超過6GHz，甚至60GHz , 這樣的高帶寬實時示波器，如何進行計量？
答案(安捷倫科技杜吉偉提供) ：現(xiàn)在實時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帶寬實時示波器外，市面上的示波器帶寬有50GHz, 33GHz, 30GHz, 28GHz ,25GHz , 20GHz , 16GHz, 13GHz , 12GHz, 8GHz等，示波器的計量參數(shù)有很多，有很多不會隨著示波器帶寬變化而變化，有兩個項目的計量的確會隨著帶寬提升而變化，包括-3dB帶寬和示波器上升時間。-3dB帶寬可以使用掃頻信號源，比如安捷倫科技的PSG, 可輸出高達67GHz的正弦波。上升時間的計量則可使用安捷倫科技提供的N2806A階躍產生器，安捷倫科技內部就是使用該階躍產生器計量其示波器產品的，該產品的詳細信息，可參見http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5991-0263EN.pdf ，其中也介紹了如何結合精密電纜(PrecisionProbe)軟件來消除計量中所用電纜或探頭帶來的誤差。 這里面有一點和大家分享一下，對高斯頻響示波器，流傳一個說法，示波器的上升時間應該是被測對象的3倍，該說法不適用于現(xiàn)代高端實時示波器，因為他們的頻響都不是高斯頻響，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：針對某一特定被測信號，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，對高斯頻響示波器，其采樣率應該是帶寬的4倍或以上，對最大平坦度頻響示波器，其采樣率應該是帶寬的2.5倍或以上(典型產品舉例，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)，對高斯頻響的7104B系列示波器，其采樣率由4GSa/s降為2GSa/s，則實時帶寬也會從1GHz降到500MHz。
其次，并不一定是采樣率越高，量測精度越高。這時因為，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采樣率對上升時間的測量結果是一樣的。
圖2、觀察1GHz正弦波，4GSa/s的采集和測量結果比20GSa/s采樣率的結果更加準確，同樣的結果也體現(xiàn)在有時候，50GSa/s 比100GSa/s采樣率測量精度更高，這在廠家的技術手冊上也有說明，對于有的被測信號，如基波頻率分別為3GHz, 4GHz ,5GHz的應用，SATA 6Gbps , PCI-E 8Gbps , 10Gbps , 根據有些示波器的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參考手冊，針對基波頻率是3GHz, 4GHz ,5GHz，6GHz 的情況下，示波器的實際有效位數(shù)反而是50GSa/s比100GSa/s更好。
這里無意對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，因為人們往往忽略了某些假設前提的存在。
1、針對某一特定被測信號，是否是所用實時示波器系統(tǒng)帶寬越高，量測精度越高？
2、目前的示波器校準儀只能工作到6.4GHz帶寬，目前有大量示波器帶寬已經超過6GHz，甚至60GHz , 這樣的高帶寬實時示波器，如何進行計量？
3、針對某一特定被測信號，是否是所用實時示波器采樣率越高，量測精度越高？
問題1：針對某一特定被測信號，是否是所用實時示波器系統(tǒng)帶寬越高，量測精度越高？
答案(安捷倫科技杜吉偉提供) ： 這個問題分兩部分，一個是要足夠，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)界流傳多種版本計算所需實時示波器帶寬，這里要說明的是，不管有多少個經驗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，就是輸入一個正弦波，保持幅度不變，增加信號頻率，當示波器上顯示的信號是實際信號幅度的70.7%(即3dB衰減)的時候，該對應的頻率就等于示波器帶寬。
版本1 ，利用被測正弦波號頻率來計算所需示波器帶寬。如果被測信號是正弦波，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間應該比被測正弦波信號快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間(10%～90%)。示波器自身的上升時間要比被測對象快3倍，因此人們在很長一段時間內使用用公式，示波器帶寬＝ 0.35/Tr x 3，這個公式的Tr指的是被測信號的上升時間(10%~90%) 。這種說法假設前提條件，就是示波器是高斯頻響，被測信號是正弦波，在日常工作中，有時會忘記或忽略該前提條件(這也在示波器計量領域引起對所需階躍信號邊沿速度的爭議或誤解)。
版本2 ，利用被測信號方波或時鐘信號頻率來計算所需示波器帶寬。如果被測信號是方波或時鐘信號，人們認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前提條件，就是被測方波信號的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，這一點如何來確定，比如PCI-E 3.0 的信號速率是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，利用被測信號的最快上升時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》，假設您可以接受3%的測量誤差，被測信號給出10%~90%的上升時間，則公式是 示波器帶寬 ＝ 0.5/Tr x 1.4 ，若給出的上升時間是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際帶寬，測量的精度會變得更好嗎？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。這是因為所有示波器都有本底噪聲，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（有時也稱作降噪功能），可以將示波器帶寬降低，典型的應用如電源噪聲測試，工程師有時會故意將示波器帶寬限制設置為20MHz，而不是用其滿帶寬設置，另一個例子是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8GHz示波器，有機會發(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。 那么會不會出現(xiàn)，將25G Hz帶寬限制到2.0GHz帶寬測量結果比使用一臺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體工藝示波器，比如DSOX92004A 或DSOX92004Q ，其采用磷化銦半導體工藝，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的示波器，最高指標是實時帶寬63GHz，DSOX96204Q ，于2012年4月，由安捷倫科技推出。
問題2、目前的示波器校準儀只能工作到6.4GHz帶寬，目前有大量示波器帶寬已經超過6GHz，甚至60GHz , 這樣的高帶寬實時示波器，如何進行計量？
答案(安捷倫科技杜吉偉提供) ：現(xiàn)在實時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帶寬實時示波器外，市面上的示波器帶寬有50GHz, 33GHz, 30GHz, 28GHz ,25GHz , 20GHz , 16GHz, 13GHz , 12GHz, 8GHz等，示波器的計量參數(shù)有很多，有很多不會隨著示波器帶寬變化而變化，有兩個項目的計量的確會隨著帶寬提升而變化，包括-3dB帶寬和示波器上升時間。-3dB帶寬可以使用掃頻信號源，比如安捷倫科技的PSG, 可輸出高達67GHz的正弦波。上升時間的計量則可使用安捷倫科技提供的N2806A階躍產生器，安捷倫科技內部就是使用該階躍產生器計量其示波器產品的，該產品的詳細信息，可參見http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5991-0263EN.pdf ，其中也介紹了如何結合精密電纜(PrecisionProbe)軟件來消除計量中所用電纜或探頭帶來的誤差。 這里面有一點和大家分享一下，對高斯頻響示波器，流傳一個說法，示波器的上升時間應該是被測對象的3倍，該說法不適用于現(xiàn)代高端實時示波器，因為他們的頻響都不是高斯頻響，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：針對某一特定被測信號，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，對高斯頻響示波器，其采樣率應該是帶寬的4倍或以上，對最大平坦度頻響示波器，其采樣率應該是帶寬的2.5倍或以上(典型產品舉例，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)，對高斯頻響的7104B系列示波器，其采樣率由4GSa/s降為2GSa/s，則實時帶寬也會從1GHz降到500MHz。
其次，并不一定是采樣率越高，量測精度越高。這時因為，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采樣率對上升時間的測量結果是一樣的。
圖2、觀察1GHz正弦波，4GSa/s的采集和測量結果比20GSa/s采樣率的結果更加準確，同樣的結果也體現(xiàn)在有時候，50GSa/s 比100GSa/s采樣率測量精度更高，這在廠家的技術手冊上也有說明，對于有的被測信號，如基波頻率分別為3GHz, 4GHz ,5GHz的應用，SATA 6Gbps , PCI-E 8Gbps , 10Gbps , 根據有些示波器的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參考手冊，針對基波頻率是3GHz, 4GHz ,5GHz，6GHz 的情況下，示波器的實際有效位數(shù)反而是50GSa/s比100GSa/s更好。
這里無意對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，因為人們往往忽略了某些假設前提的存在。
