2.1.7  带宽幅频特性曲线的校准方法

示波器前端放大器频响曲线是新示波器发布的“出生证”。  示波器每年需要进行校准，幅频特性曲线是第一需要校准的指标。示波器幅频特性曲线的校准方法如图2.1.7所示。  信号源从10MHz频率开始逐渐递增发送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器将输入的信号能量等分为二后通过等长的线缆分别送到示波器和功率计。 功分器和线缆是无源器件，可以严格定标，信号源本身的幅频特性不可以作为定标仪器，需要通过功率计实测的能量来作为示波器的输入幅值的定标值。  有时候客户会对示波器的幅频特性曲线很感兴趣，直接用信号源连接到示波器来评估示波器的波特图，在带宽超过1GHz时的反射问题影响不可忽略，这种方法是很不严谨的。需要用功率计来作为定标工具！

此外，在计量幅频曲线图时需要针对示波器不同量程都进行计量,最终产生的幅频曲线图是所有档位的结果叠加在一起的，因此计量幅频特性曲线是需要半天时间完成的，并不是想象中那么轻松的工作。

            图2.1.7 示波器幅频特性曲线的计量方法

2.1.8  该如何选择带宽

2.1.8.1 带宽限制对测量的影响

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，使信号的高频分量减少。3，使信号的相位失真。  这些影响是紧密相关，同时存在的。第一个影响是时域角度考虑的的影响，后面两个则是频域的。 带宽限制使信号上升沿变缓的影响可以由2.1.2的关系式2.1来近似评估。

图2.1.7显示了10MHz的方波信号在不同带宽时测试出的波形。其中，ch1wfm1和ref1是分别在4GHz和1GHz时波形，ref2是带宽限制到200MHz的测试结果。 图2.1.8显示在带宽限制到200MHz时测量出的10MHz的上升时间均值为1.6196ns，而图2.1.9显示的是在4GHz带宽时的上升时间均值为360.03ps。这表明，对于 10MHz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4GHz带宽对于测试800ps的上升时间结果几乎一样。

  图2.1.7  10MHz时钟信号在4GHz、1GHz等不同带宽时的测试波形对比

              图2.1.8  带宽限制到200MHz时测量10MHz时钟上升时间

                  图2.1.9  4GHz带宽时测量10MHz时钟上升时间

    对于非周期性的不规则信号，带宽对捕获细节的影响也非常大，在Dr Howard的文章“Adequate Bandwidth”中给出了一个例子，如图2.1.10显示了用6GHz和1GHz带宽分别捕获尖峰毛刺信号，这种信号和串扰的特征很类似。在1GHz带宽时正脉冲的幅值只有6GHz时的一半，50%的误差。6GHz时才能看清信号的全貌。

      图2.1.10  更高带宽才能捕获到脉冲的全部幅度

2.1.8.2 带宽选择的基本规则

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DDR3-1.6G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？  …… 笔者常要回答这些问题。 下面介绍选择带宽的四条基本规则。

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。

方波信号和三角波信号是两种典型的信号，非常适合于来说明不同信号类型对带宽的要求不一样。图2.1.11表示方波和三角波的前3次谐波，目的是用方波仿真最快的上升时间，三角波仿真最慢的上升时间。对于方波信号，基波的幅值大于方波信号本身的幅值,谐波则交替式破坏性地或建设性地增加,高次谐波的含量很大,需要包括这些谐波才能很好地重组方波信号。三角波的情况则不一样。基波信号成分仅仅比三角波的幅值略小一点点，所有的谐波成分的增加都是建设性地。三角波的谐波成分含量都很小;基波成分就已经能较好地拟合三角波了。 因此对于三角波信号的带宽要求就远小于方波信号。  

图2.1.11   方波和三角波的傅立叶变换和波形重组的特点一样

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！

“对于5MHz的时钟信号，需要用多少带宽的示波器来测量？”这是常被问到的一类问题。可能的回答是：“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，用100MHz余量很大了。”  3-5倍是一个根深蒂固的概念。 其实,我们需要这样反问自己：“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？”  “上升时间”是关键因素。

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倍比特率的带宽能捕获信号能量的99%。下表给出了不同的上升时间和带宽之间的关系。   

  4， 对于时钟、快沿信号而言，当示波器的上升时间小于实际信号的上升时间的

1/3时，测量的精确度可达到5%。 不同上升时间带来的误差请参考 Howard  Johnson博士给出了下表。根据此原则，在选择带宽时先确定示波器的上升时间指标，再根据上升时间选择带宽。

  Howard曾经回答了这样一个有趣的问题：对于一个不知道上升时间的未知信号，如何判断当前选择的带宽是足够的呢?  先用高带宽测量出一个结果，然后将带宽限制得低一些看一些得出的结果是否有差别。如果减少带宽没有使测量结果有明显的区别，那么减少后的带宽对于当前信号是足够的。如果减少带宽使测量结果有明显的区别，那么更高带宽将揭示出待测信号的更多细节。