首先我們先看一下現(xiàn)代數(shù)字實(shí)時(shí)示波器的典型參考架構(gòu)。

圖1 現(xiàn)代數(shù)字實(shí)時(shí)示波器的典型參考架構(gòu)

在上圖典型參考架構(gòu)圖中，可以看到從各關(guān)鍵部件出發(fā)涉及到的業(yè)界常常提及的關(guān)鍵指標(biāo)，比如模擬前端電路涉及的帶寬，采樣電路涉及的采樣率及ADC位數(shù)等指標(biāo)，以及觸發(fā)和內(nèi)存深度等數(shù)字實(shí)時(shí)示波器的四大最基本指標(biāo)。

本期我們就再次從基本的帶寬指標(biāo)出發(fā)談一談示波器的帶寬相關(guān)概念的演進(jìn)發(fā)展和Keysight最新推出的中端示波器MXR的帶寬和模擬前端性能。

再看一看下述的關(guān)于示波器模擬帶寬的思維導(dǎo)圖：


圖2 實(shí)時(shí)示波器帶寬思維導(dǎo)圖

對(duì)于一個(gè)以示波器為主的數(shù)字信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信號(hào)數(shù)字化即ADC采樣之前一般有三個(gè)帶寬定義：示波器本身帶寬、探頭帶寬、系統(tǒng)帶寬。本文，我們主要重點(diǎn)在示波器本身帶寬。

另外示波器的不同頻響方式下帶寬的計(jì)算方法也略有差異，示波器的頻響方式最傳統(tǒng)的是高斯頻響，高斯頻響的示波器其頻響方式類(lèi)似低通高斯濾波器。高斯頻響的示波器缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在帶內(nèi)損耗較大，帶外抑制能力不夠。

早期的示波器和現(xiàn)在很多中低帶寬的示波器的頻響方式都是高斯或類(lèi)高斯的?，F(xiàn)代的很多高帶寬示波器會(huì)采用另一種頻響方式，即平坦頻響。之所以產(chǎn)生這種分化的主要原因是考慮到在高帶寬示波器上必須配置高采樣電路的成本問(wèn)題。兩種頻響曲線如下圖所示。

圖3 示波器的頻響方式

接下來(lái)正式來(lái)看今天所講的帶寬。

一、示波器帶寬

示波器帶寬的定義，輸入一個(gè)正弦波信號(hào)，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)幅度是實(shí)際信號(hào)幅度的70.7%(即3dB衰減)的時(shí)候，該對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率就等于示波器帶寬。

MXR全系列提供了豐富的帶寬選擇，從500MHz到6GHz，全系列均支持低帶寬型號(hào)用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)軟件自升級(jí)到更高帶寬型號(hào)。每個(gè)通道輸入處，都有一個(gè)低噪聲的前端定制芯片，它是130ns BiCMOS 芯片，內(nèi)部集成了模擬濾波器，因此客戶(hù)可以選擇濾波器的帶寬（該示波器也支持?jǐn)?shù)字濾波器，其類(lèi)型可選，磚墻式頻響濾波器、4階貝塞爾濾波器、帶通濾波器，也因此實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)帶寬的軟件升級(jí)。）

這里要注意的是，使用磚墻式頻響濾波器，其帶寬可以設(shè)置到示波器的最大帶寬，使用4階貝塞爾濾波器，其帶寬可以設(shè)置到示波器最大帶寬的2/3左右，帶通濾波器是專(zhuān)為相位噪聲分析應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，通常情況下，不使用該濾波器。

小K用一臺(tái)MXR608A，帶寬為6GHz的工程樣機(jī)進(jìn)行掃頻測(cè)試，輸入一個(gè)幅度為500mV的正弦信號(hào)，從頻率為1GHz開(kāi)始，增加信號(hào)頻率到6GHz, 測(cè)量結(jié)果如下表所示。


圖4 MXR帶寬測(cè)定環(huán)境



對(duì)于6GHz帶寬的高斯頻響示波器，輸入1GHz左右正弦波信號(hào)，幅度為500mV，測(cè)量的幅度值理論上應(yīng)該為490 mV, 2GHz的正弦波信號(hào)，測(cè)量的幅度值理論上應(yīng)該為470mV左右。而本工程樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果，在2GHz時(shí)，幅度值為497.4mV, 去除連接電纜和接頭的影響，示波器測(cè)量2GHz正弦波信號(hào)幾乎沒(méi)有衰減。在3GHz頻點(diǎn)，測(cè)得的信號(hào)幅值也接近500mV，其表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)異于高斯響應(yīng)產(chǎn)品。在4GHz頻點(diǎn)的正弦波信號(hào)測(cè)量結(jié)果，如果去除探頭和連接線衰減，幅度誤差則在10%左右。這些都說(shuō)明，MXR采用的是平坦響應(yīng)。

而如果根據(jù)示波器3dB衰減帶寬來(lái)計(jì)算，可以初步計(jì)算6GHz對(duì)應(yīng)的幅值為353.5mV，從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，帶寬為6GHz的MXR608A示波器，即使輸入6GHz的正弦波信號(hào)其幅度只衰減了20%，也沒(méi)有降低3dB。這也說(shuō)明MXR中端示波器不是高斯頻響示波器，而是平坦響應(yīng)示波器，因此能夠準(zhǔn)確測(cè)量其帶寬范圍內(nèi)所有頻率的信號(hào)及分量。而事實(shí)上，MXR系列產(chǎn)品6GHz型號(hào)其帶寬最高可設(shè)定到6.3GHz，額外贈(zèng)送300MHz哦！

以上僅提供了幅度方面結(jié)果，在水平方向頻率和周期其測(cè)量結(jié)果即使到6GHz頻點(diǎn)測(cè)量也非常精準(zhǔn)。

結(jié)論：MXR作為一臺(tái)采用平坦響應(yīng)的示波器，對(duì)其帶寬內(nèi)信號(hào)均具有優(yōu)異的表征能力，為各種精確測(cè)量包括一致性測(cè)試和數(shù)字接收機(jī)應(yīng)用提供有力保障。

二、示波器帶寬選擇的經(jīng)驗(yàn)公式或法則

1. 利用被測(cè)正弦波號(hào)頻率來(lái)計(jì)算所需示波器帶寬

如果被測(cè)信號(hào)是正弦波，則所需示波器帶寬是其頻率的3倍，或者所需示波器自身的上升時(shí)間應(yīng)該比被測(cè)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(cè)對(duì)象快3倍，因此人們?cè)诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)使用該公式，示波器帶寬＝ 0.35/Tr x 3，這個(gè)公式的Tr指的是被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間(10%~90%) 。這種說(shuō)法假設(shè)前提條件，就是示波器是高斯頻響，被測(cè)信號(hào)是正弦波。該說(shuō)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。

今天基于采用平坦響應(yīng)的MXR系列示波器，對(duì)正弦波信號(hào)分量3GHz信號(hào)，其幅度誤差基本可以忽略不計(jì)。針對(duì)5GHz正弦波，幅度誤差在10%左右，6GHz，幅度誤差在20%。在儀器性能已知情況下，MXR完全可以用于6GHz正弦波信號(hào)測(cè)量，也就是說(shuō)其MXR的6GHz帶寬效能相當(dāng)可觀。

2. 利用被測(cè)信號(hào)方波或時(shí)鐘信號(hào)頻率來(lái)計(jì)算所需示波器帶寬

如果被測(cè)信號(hào)是方波或時(shí)鐘信號(hào)，人們認(rèn)為示波器帶寬應(yīng)至少能觀察到所測(cè)信號(hào)的5次諧波。這種說(shuō)法存在假設(shè)前提條件是被測(cè)方波信號(hào)的5次諧波能量仍然在示波器本底噪聲之上，而7次諧波能量被淹沒(méi)在示波器本底噪聲之中，問(wèn)題是，這一點(diǎn)如何來(lái)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(cè)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。因此早在2008年左右，PCI-Sig協(xié)會(huì)針對(duì)PCIE3.0的一致性測(cè)試推薦的帶寬就是13GHz，因?yàn)楫?dāng)時(shí)業(yè)界的20GHz示波器產(chǎn)品底噪很大，根本無(wú)法表征到5次諧波。

MXR系列中端示波器，帶寬涵蓋500MHz—6GHz,提供了業(yè)界當(dāng)前主流的所有中等信號(hào)速率標(biāo)準(zhǔn)的一致性測(cè)試，包括(但不限于)：



除了上述標(biāo)準(zhǔn)的一致性測(cè)試，MXR 6GHz型號(hào)對(duì)HDMI1.4b，PCIE1.x，SATA 1.5G/3.0Gbps，Rapid IO等速率在4Gbps以下信號(hào)也可以支持。

以上還需要特別說(shuō)明的是，針對(duì)DDR3/LPDDR3, 1866 MT/s，時(shí)鐘頻率在933MHz(也是數(shù)據(jù)總線變換的最快速率)，因此MXR 6GHz(隱藏帶寬到6.3GHz)可以采集到7次諧波,因此可以基本支持到這一速率。

3. 利用被測(cè)信號(hào)的最快上升時(shí)間來(lái)確定所需示波器帶寬

這是精確量的公式，因沒(méi)有特定的假設(shè)前提條件，適用于更多的場(chǎng)合。該公式出自Howard W Johnson 的一本書(shū)《High Speed Digital Design --- A handbook of Black Magic》。

假設(shè)您可以接受3%的測(cè)量誤差，對(duì)于平坦響應(yīng)的示波器，BWscope = 0.5/Tr x 1.4（被測(cè)信號(hào)給出10%~90%的上升時(shí)間），BWscope ＝ 0.4/Tr x1.4（若給出的上升時(shí)間是20%~80%）. 對(duì)于高斯頻響的示波器，BWscope = 0.5/Tr x 2（被測(cè)信號(hào)給出10%~90%的上升時(shí)間），BWscope＝0.4/Tr x2（若給出的上升時(shí)間是20%~80%）。


圖5 MXR系列型號(hào)上升沿時(shí)間

MXR基于平坦響應(yīng)，能夠測(cè)得的信號(hào)上升沿：

- Trisetime (10-90%) = 0.5/BWscope X 1.4 = 0.5/6GHz * 1.4=116 ps

- Trisetime (20-80%) = 0.4/BWscope X 1.4 = 0.4/6GHz * 1.4=93 ps

實(shí)際測(cè)量時(shí)大于以上上升沿時(shí)間的待測(cè)信號(hào)都可以得到很好的表征。

以上，我們就數(shù)字實(shí)時(shí)示波器的帶寬和最新的MXR的帶寬和實(shí)測(cè)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

小知識(shí)：帶寬與上升時(shí)間的關(guān)系

與示波器的帶寬技術(shù)指標(biāo)有極大關(guān)系的還有示波器的上升時(shí)間指標(biāo)。對(duì)于高斯頻響的示波器，按照10%至90%標(biāo)準(zhǔn)，其上升時(shí)間大約為0.35 / BWscope。對(duì)于具有最大平坦度響應(yīng)的示波器，其上升時(shí)間技術(shù)指標(biāo)的范圍通常在0.4 / BWscope 左右，取決于頻率下降特征的尖銳程度。

切記，示波器的上升時(shí)間并不是示波器可以精確測(cè)量的最快邊沿速度。假定輸入信號(hào)具有理論上無(wú)限快的上升時(shí)間(0 ps)，示波器的上升時(shí)間是示波器可能產(chǎn)生的最快邊沿速度。雖然這個(gè)理論上的技術(shù)指標(biāo)是不可測(cè)量，這是因?yàn)槊}沖發(fā)生器實(shí)際上不能生成無(wú)限快的邊沿，但可以通過(guò)輸入邊沿速度比示波器上升時(shí)間技術(shù)指標(biāo)快 3 到 5 倍的脈沖信號(hào)，以測(cè)量示波器的上升時(shí)間。

三、垂直系統(tǒng)常被忽視的其它一些指標(biāo)

事實(shí)上，中端示波器已經(jīng)成為一個(gè)充分競(jìng)爭(zhēng)的紅海市場(chǎng)，多個(gè)品牌和近10多種產(chǎn)品系列常常令工程師有眼花繚亂和無(wú)所適從的感覺(jué)。因此單純的帶寬比較，已經(jīng)不能完全表征不同產(chǎn)品的差異，需要更全面的考察示波器的垂直系統(tǒng)的總體性能，當(dāng)然也會(huì)涉及到更多指標(biāo)。比如示波器的本底噪聲和通道輸入幅度等。

示波器的本底噪聲主要來(lái)自示波器的模擬前端，業(yè)界一般均定義其為高斯白噪聲，帶寬越寬噪聲則越大。因此在實(shí)際工作中，除了針對(duì)不同信號(hào)測(cè)試采取帶寬限制外另外選擇低本底噪聲儀表就顯得格外重要。關(guān)于低本底噪聲對(duì)眼圖測(cè)試的意義請(qǐng)參考往期文章《淺論示波器的低本底噪聲對(duì)高速眼圖測(cè)試的意義》。

最新MXR系列傳承自S系列示波器的優(yōu)異前端，提供了業(yè)界最低的本底噪聲。6 GHz帶寬50mV/Div 時(shí)，本底噪聲僅為971uV，是業(yè)界同類(lèi)其它產(chǎn)品的80%，針對(duì)一致性和眼圖測(cè)試提供了最高的測(cè)量精度。針對(duì)電源紋波測(cè)試，配置N7020A 2GHz帶寬電源紋波探頭，1:1衰減，設(shè)置為2mV/Div時(shí)，提供10mV級(jí)電源紋波和噪聲測(cè)量，本底噪聲僅為91uV。

低本底噪聲還對(duì)很多其它小信號(hào)和射頻信號(hào)測(cè)試非常關(guān)鍵，不再過(guò)多舉例。

以上談到的是示波器的本底噪聲，涉及測(cè)量精度。另外一個(gè)常常被忽視的指標(biāo)是示波器模擬通道容許最大輸入幅度，涉及到儀器安全，這一指標(biāo)對(duì)儀器的安全使用至關(guān)重要。

由于在今天很多的一致性測(cè)試和數(shù)字接收機(jī)應(yīng)用中，經(jīng)常采用電纜直接接入到示波器，因此示波器在面對(duì)信號(hào)異常跳變，靜電以及外部EMI/EMC等干擾面前基本處于”裸奔”狀態(tài)。靜下心來(lái)，想一想，您是否曾經(jīng)遇到過(guò)示波器的模擬通道在不知不覺(jué)中被打壞過(guò)，然后耗時(shí)，耗力去送修？

Keysight高端磷化銦V/Z/UXR系列示波器是業(yè)界唯一所有檔位下支持±4V輸入的高端產(chǎn)品。

而最新MXR中端示波器，最大輸入電壓范圍在50Ω時(shí)，為±5V:


圖6 如MXR中端示波器最大允許輸入幅度

在中端級(jí)別產(chǎn)品上，這一指標(biāo)本身不應(yīng)成為技術(shù)瓶頸，然而事實(shí)上不同產(chǎn)品卻存在差異。推測(cè)原因之一是因?yàn)闉榱丝紤]帶寬或者降噪而沒(méi)有采用性能足夠的衰減器，因此犧牲了模擬通道容許的輸入幅度。相比之下，Keysight的所有實(shí)時(shí)示波器均提供了最優(yōu)異且均衡的指標(biāo)。

涉及垂直系統(tǒng)另外還有一些其它指標(biāo)，比如垂直刻度靈敏度，偏移設(shè)置等，在當(dāng)下看來(lái)各廠家產(chǎn)品差異不大，因此不在這里做詳細(xì)說(shuō)明。


圖7 MXR608A正面視圖

以上就是本期關(guān)于MXR的所有內(nèi)容，關(guān)于示波器的帶寬或垂直系統(tǒng)，