怎样根据被测信号选择示波器的带宽和采样率
名称：示波器
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简介：针对如何选择高端示波器，艾克赛普小编提供了一下怎样根据被测信号选择示波器的带宽和采样率的几个问题答案：1、针对某一特定被测信号，是否是所用实时示波器系统带宽越高，量测精度越高？ 2、目前的示波器校准仪只能工作到6.4GHz带宽，目前有大量示...
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针对如何选择高端示波器，艾克赛普小编提供了一下怎样根据被测信号选择示波器的带宽和采样率的几个问题答案：
1、针对某一特定被测信号，是否是所用实时示波器系统带宽越高，量测精度越高？
2、目前的示波器校准仪只能工作到6.4GHz带宽，目前有大量示波器带宽已经超过6GHz，甚至60GHz , 这样的高带宽实时示波器，如何进行计量？
3、针对某一特定被测信号，是否是所用实时示波器采样率越高，量测精度越高？
问题1：针对某一特定被测信号，是否是所用实时示波器系统带宽越高，量测精度越高？
答案(安捷伦科技杜吉伟提供) ： 这个问题分两部分，一个是要足够，另一是足够以后是否越高越好。首先，我们来看多少带宽算是足够，业界流传多种版本计算所需实时示波器带宽，这里要说明的是，不管有多少个经验法则或公式来估算所需示波器带宽，示波器带宽的定义没有变，就是输入一个正弦波，保持幅度不变，增加信号频率，当示波器上显示的信号是实际信号幅度的70.7%(即3dB衰减)的时候，该对应的频率就等于示波器带宽。
版本1 ，利用被测正弦波号频率来计算所需示波器带宽。如果被测信号是正弦波，则所需示波器带宽是其频率的3倍，或者所示波器自身的上升时间应该比被测正弦波信号快3倍。由于早期的示波器，不管是模拟示波器，还是数字示波器，其频率响应都是高斯频响，示波器自身带宽的定义是0.35/Tr , Tr为示波器自身的上升时间(10%～90%)。示波器自身的上升时间要比被测对象快3倍，因此人们在很长一段时间内使用用公式，示波器带宽＝ 0.35/Tr x 3，这个公式的Tr指的是被测信号的上升时间(10%~90%) 。这种说法假设前提条件，就是示波器是高斯频响，被测信号是正弦波，在日常工作中，有时会忘记或忽略该前提条件(这也在示波器计量领域引起对所需阶跃信号边沿速度的争议或误解)。
版本2 ，利用被测信号方波或时钟信号频率来计算所需示波器带宽。如果被测信号是方波或时钟信号，人们认为示波器带宽因该至少能够观察到5次谐波。这种说法同样存在假设前提条件，就是被测方波信号的5次谐波能量仍在示波器本底噪声之上，而7次谐波在淹没在示波器本底噪声中，问题是，这一点如何来确定，比如PCI-E 3.0 的信号速率是8Gbps，基波是4GHz，五次谐波是20GHz，那么PCI-E 3.0的测试一定需要20GHz 带宽吗？答案是如果其5次谐波能量很小，落在你所用的示波器本底噪声之下，你用20GHz带宽示波器仍然观察不到5次谐波。
版本3，利用被测信号的最快上升时间来确定所需示波器带宽。这是精确量的公式，因没有特定的假设前提条件，适用于更多的场合。该公式出自Howard W Johnson 的一本书《High Speed Digital Design --- A handbook of Black Magic》，假设您可以接受3%的测量误差，被测信号给出10%~90%的上升时间，则公式是 示波器带宽 ＝ 0.5/Tr x 1.4 ，若给出的上升时间是20%~80%，则公式是示波器带宽 ＝ 0.4/Tr x 1.4 . 详情可参见技术文章http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-5733CHCN.pdf
回到问题本身，如果示波器带宽超过所需的实际带宽，测量的精度会变得更好吗？答案是取决于你怎么用，如果你用的是示波器的满带宽，测量精度只会变地更差；如果你使用该示波器的带宽限制功能，则测量精度有可能变得更好或不变。这是因为所有示波器都有本底噪声，其中白噪声占很大比重，白噪声本身是无限宽带噪声，示波器带宽越大，进来的噪声也越多，从而使得测量精度越差。因此大多高端示波器都支持带宽限制功能（有时也称作降噪功能），可以将示波器带宽降低，典型的应用如电源噪声测试，工程师有时会故意将示波器带宽限制设置为20MHz，而不是用其满带宽设置，另一个例子是USB2.0的测试，USB-IF建议使用2.0GHz带宽示波器，如果你碰巧有一个8GHz示波器，有机会发现，2.0GHz带宽示波器测试通过的情况，而用该示波器测试不通过，而你将该示波器带宽限制为2.0GHz，测试又通过了。 那么会不会出现，将25G Hz带宽限制到2.0GHz带宽测量结果比使用一台2.0GHz带宽更精确呢？有可能，如果你的25GHz示波器是低噪声半导体工艺示波器，比如DSOX92004A 或DSOX92004Q ，其采用磷化铟半导体工艺，相同带宽限制下，其本底噪声是所有示波器中最底的。目前采用磷化铟技术的示波器，最高指标是实时带宽63GHz，DSOX96204Q ，于2012年4月，由安捷伦科技推出。
问题2、目前的示波器校准仪只能工作到6.4GHz带宽，目前有大量示波器带宽已经超过6GHz，甚至60GHz , 这样的高带宽实时示波器，如何进行计量？
答案(安捷伦科技杜吉伟提供) ：现在实时示波器最高带宽是安捷伦科技推出的63GHz示波器，除了这款63GHz带宽实时示波器外，市面上的示波器带宽有50GHz, 33GHz, 30GHz, 28GHz ,25GHz , 20GHz , 16GHz, 13GHz , 12GHz, 8GHz等，示波器的计量参数有很多，有很多不会随着示波器带宽变化而变化，有两个项目的计量的确会随着带宽提升而变化，包括-3dB带宽和示波器上升时间。-3dB带宽可以使用扫频信号源，比如安捷伦科技的PSG, 可输出高达67GHz的正弦波。上升时间的计量则可使用安捷伦科技提供的N2806A阶跃产生器，安捷伦科技内部就是使用该阶跃产生器计量其示波器产品的，该产品的详细信息，可参见http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5991-0263EN.pdf ，其中也介绍了如何结合精密电缆(PrecisionProbe)软件来消除计量中所用电缆或探头带来的误差。 这里面有一点和大家分享一下，对高斯频响示波器，流传一个说法，示波器的上升时间应该是被测对象的3倍，该说法不适用于现代高端实时示波器，因为他们的频响都不是高斯频响，大多是最大平坦度频响，或者介于高斯和最大平坦度频响之间。
问题3：针对某一特定被测信号，是否是所用示波器采样率越高，量测精度越高？
答案(安捷伦科技杜吉伟提供)：示波器的采样率首先要够，也就是说，对高斯频响示波器，其采样率应该是带宽的4倍或以上，对最大平坦度频响示波器，其采样率应该是带宽的2.5倍或以上(典型产品举例，安捷伦DSOX3104A 1GHz带宽示波器，采样率由 5GSa/s采样降低为2.5GSa/s采样，仍可保证1GHz带宽)，对高斯频响的7104B系列示波器，其采样率由4GSa/s降为2GSa/s，则实时带宽也会从1GHz降到500MHz。
其次，并不一定是采样率越高，量测精度越高。这时因为，采样率较高的情况下，要做到采样等间距不是件容易的事情，在有些情况下，情况正好相反。
图1、用6GHz带宽示波器测量100ps上升沿（20%~80%）的1.25GHz方波，20GSa/s和40GSa/s采样率对上升时间的测量结果是一样的。
图2、观察1GHz正弦波，4GSa/s的采集和测量结果比20GSa/s采样率的结果更加准确，同样的结果也体现在有时候，50GSa/s 比100GSa/s采样率测量精度更高，这在厂家的技术手册上也有说明，对于有的被测信号，如基波频率分别为3GHz, 4GHz ,5GHz的应用，SATA 6Gbps , PCI-E 8Gbps , 10Gbps , 根据有些示波器的Technical Reference Manual , 其ADC等效位数在100GSa/s采样下，更差，反而是50GSa/s更好。 如下图所示
图3、以示波器的有效位数为例子，上图来自示波器的技术参考手册，针对基波频率是3GHz, 4GHz ,5GHz，6GHz 的情况下，示波器的实际有效位数反而是50GSa/s比100GSa/s更好。
这里无意对比不同厂家的示波器，只是说明一下，采样率越高，测量精度越高，貌似正确，但并不是适用于所有场合，因为人们往往忽略了某些假设前提的存在。
1、针对某一特定被测信号，是否是所用实时示波器系统带宽越高，量测精度越高？
2、目前的示波器校准仪只能工作到6.4GHz带宽，目前有大量示波器带宽已经超过6GHz，甚至60GHz , 这样的高带宽实时示波器，如何进行计量？
3、针对某一特定被测信号，是否是所用实时示波器采样率越高，量测精度越高？
问题1：针对某一特定被测信号，是否是所用实时示波器系统带宽越高，量测精度越高？
答案(安捷伦科技杜吉伟提供) ： 这个问题分两部分，一个是要足够，另一是足够以后是否越高越好。首先，我们来看多少带宽算是足够，业界流传多种版本计算所需实时示波器带宽，这里要说明的是，不管有多少个经验法则或公式来估算所需示波器带宽，示波器带宽的定义没有变，就是输入一个正弦波，保持幅度不变，增加信号频率，当示波器上显示的信号是实际信号幅度的70.7%(即3dB衰减)的时候，该对应的频率就等于示波器带宽。
版本1 ，利用被测正弦波号频率来计算所需示波器带宽。如果被测信号是正弦波，则所需示波器带宽是其频率的3倍，或者所示波器自身的上升时间应该比被测正弦波信号快3倍。由于早期的示波器，不管是模拟示波器，还是数字示波器，其频率响应都是高斯频响，示波器自身带宽的定义是0.35/Tr , Tr为示波器自身的上升时间(10%～90%)。示波器自身的上升时间要比被测对象快3倍，因此人们在很长一段时间内使用用公式，示波器带宽＝ 0.35/Tr x 3，这个公式的Tr指的是被测信号的上升时间(10%~90%) 。这种说法假设前提条件，就是示波器是高斯频响，被测信号是正弦波，在日常工作中，有时会忘记或忽略该前提条件(这也在示波器计量领域引起对所需阶跃信号边沿速度的争议或误解)。
版本2 ，利用被测信号方波或时钟信号频率来计算所需示波器带宽。如果被测信号是方波或时钟信号，人们认为示波器带宽因该至少能够观察到5次谐波。这种说法同样存在假设前提条件，就是被测方波信号的5次谐波能量仍在示波器本底噪声之上，而7次谐波在淹没在示波器本底噪声中，问题是，这一点如何来确定，比如PCI-E 3.0 的信号速率是8Gbps，基波是4GHz，五次谐波是20GHz，那么PCI-E 3.0的测试一定需要20GHz 带宽吗？答案是如果其5次谐波能量很小，落在你所用的示波器本底噪声之下，你用20GHz带宽示波器仍然观察不到5次谐波。
版本3，利用被测信号的最快上升时间来确定所需示波器带宽。这是精确量的公式，因没有特定的假设前提条件，适用于更多的场合。该公式出自Howard W Johnson 的一本书《High Speed Digital Design --- A handbook of Black Magic》，假设您可以接受3%的测量误差，被测信号给出10%~90%的上升时间，则公式是 示波器带宽 ＝ 0.5/Tr x 1.4 ，若给出的上升时间是20%~80%，则公式是示波器带宽 ＝ 0.4/Tr x 1.4 . 详情可参见技术文章http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-5733CHCN.pdf
回到问题本身，如果示波器带宽超过所需的实际带宽，测量的精度会变得更好吗？答案是取决于你怎么用，如果你用的是示波器的满带宽，测量精度只会变地更差；如果你使用该示波器的带宽限制功能，则测量精度有可能变得更好或不变。这是因为所有示波器都有本底噪声，其中白噪声占很大比重，白噪声本身是无限宽带噪声，示波器带宽越大，进来的噪声也越多，从而使得测量精度越差。因此大多高端示波器都支持带宽限制功能（有时也称作降噪功能），可以将示波器带宽降低，典型的应用如电源噪声测试，工程师有时会故意将示波器带宽限制设置为20MHz，而不是用其满带宽设置，另一个例子是USB2.0的测试，USB-IF建议使用2.0GHz带宽示波器，如果你碰巧有一个8GHz示波器，有机会发现，2.0GHz带宽示波器测试通过的情况，而用该示波器测试不通过，而你将该示波器带宽限制为2.0GHz，测试又通过了。 那么会不会出现，将25G Hz带宽限制到2.0GHz带宽测量结果比使用一台2.0GHz带宽更精确呢？有可能，如果你的25GHz示波器是低噪声半导体工艺示波器，比如DSOX92004A 或DSOX92004Q ，其采用磷化铟半导体工艺，相同带宽限制下，其本底噪声是所有示波器中最底的。目前采用磷化铟技术的示波器，最高指标是实时带宽63GHz，DSOX96204Q ，于2012年4月，由安捷伦科技推出。
问题2、目前的示波器校准仪只能工作到6.4GHz带宽，目前有大量示波器带宽已经超过6GHz，甚至60GHz , 这样的高带宽实时示波器，如何进行计量？
答案(安捷伦科技杜吉伟提供) ：现在实时示波器最高带宽是安捷伦科技推出的63GHz示波器，除了这款63GHz带宽实时示波器外，市面上的示波器带宽有50GHz, 33GHz, 30GHz, 28GHz ,25GHz , 20GHz , 16GHz, 13GHz , 12GHz, 8GHz等，示波器的计量参数有很多，有很多不会随着示波器带宽变化而变化，有两个项目的计量的确会随着带宽提升而变化，包括-3dB带宽和示波器上升时间。-3dB带宽可以使用扫频信号源，比如安捷伦科技的PSG, 可输出高达67GHz的正弦波。上升时间的计量则可使用安捷伦科技提供的N2806A阶跃产生器，安捷伦科技内部就是使用该阶跃产生器计量其示波器产品的，该产品的详细信息，可参见http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5991-0263EN.pdf ，其中也介绍了如何结合精密电缆(PrecisionProbe)软件来消除计量中所用电缆或探头带来的误差。 这里面有一点和大家分享一下，对高斯频响示波器，流传一个说法，示波器的上升时间应该是被测对象的3倍，该说法不适用于现代高端实时示波器，因为他们的频响都不是高斯频响，大多是最大平坦度频响，或者介于高斯和最大平坦度频响之间。
问题3：针对某一特定被测信号，是否是所用示波器采样率越高，量测精度越高？
答案(安捷伦科技杜吉伟提供)：示波器的采样率首先要够，也就是说，对高斯频响示波器，其采样率应该是带宽的4倍或以上，对最大平坦度频响示波器，其采样率应该是带宽的2.5倍或以上(典型产品举例，安捷伦DSOX3104A 1GHz带宽示波器，采样率由 5GSa/s采样降低为2.5GSa/s采样，仍可保证1GHz带宽)，对高斯频响的7104B系列示波器，其采样率由4GSa/s降为2GSa/s，则实时带宽也会从1GHz降到500MHz。
其次，并不一定是采样率越高，量测精度越高。这时因为，采样率较高的情况下，要做到采样等间距不是件容易的事情，在有些情况下，情况正好相反。
图1、用6GHz带宽示波器测量100ps上升沿（20%~80%）的1.25GHz方波，20GSa/s和40GSa/s采样率对上升时间的测量结果是一样的。
图2、观察1GHz正弦波，4GSa/s的采集和测量结果比20GSa/s采样率的结果更加准确，同样的结果也体现在有时候，50GSa/s 比100GSa/s采样率测量精度更高，这在厂家的技术手册上也有说明，对于有的被测信号，如基波频率分别为3GHz, 4GHz ,5GHz的应用，SATA 6Gbps , PCI-E 8Gbps , 10Gbps , 根据有些示波器的Technical Reference Manual , 其ADC等效位数在100GSa/s采样下，更差，反而是50GSa/s更好。 如下图所示
图3、以示波器的有效位数为例子，上图来自示波器的技术参考手册，针对基波频率是3GHz, 4GHz ,5GHz，6GHz 的情况下，示波器的实际有效位数反而是50GSa/s比100GSa/s更好。
这里无意对比不同厂家的示波器，只是说明一下，采样率越高，测量精度越高，貌似正确，但并不是适用于所有场合，因为人们往往忽略了某些假设前提的存在。
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