示波器基础系列之一 —— 关于示波器的带宽（续）

关于带宽的更深入讨论，我们需要谈到示波器前端放大器幅频特性的平坦度和滚降特性。力科的一篇技术白皮书中对此有非常详细的解释。http://www.lecroy.com/tm/Library/WhitePapers/PDF/Eye_Patterns_in_Scopes-designcon_2005.pdf  (这份白皮书的第一作者Peter是DSP提升带宽，Eye Dcotor和DBI等原创技术的发明者)

我们知道，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，使信号的频率分量减少。3，使信号的相位失真。   那么，“对于5MHz的时钟信号，需要用多少带宽的示波器来测量？”   这是我在培训时常问的一个问题。我很少能得到令我满意的答案，很少有工程师反问我：“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？”  我常得到的回答是，“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，100MHz余量很大了。”   图13显示了5MHz的方波信号在不同带宽时测试出的波形。其中，M1和M2是分别在6GHz和1GHz时波形，C3是带宽限制到200MHz的测试结果。 图14显示在带宽限制到200MHz时测量出的5MHz的上升时间均值为本1.70357ns，而图15显示的是在6GHz带宽时的上升时间为873.87ps。这表明，对于 5MHz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6GHz带宽对于测试800ps的上升时间结果几乎一样。

图13，5MHz时钟信号在6GHz、1GHz和200MHz等不同带宽时的测试波形对比

图14，带宽限制到200MHz时测量5MHz时钟上升时间

图15，6GHz带宽时测量5MHz时钟上升时间对于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10Gbps的背板测试，需要多少带宽？  …… 我们常要回答这些问题。  下面的三条规则就是我们的回答。
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。
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！这在Peter的白皮书中也有非常详细讨论。
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关系的带宽能捕获信号能量的99%.  下面的图表给出了不同的上升时间和带宽之间的关系。

基于上面的原则，我们就很好理解为什么有些客户会用6GHz的示波器测试100MHz的时钟，但又用6GHz的示波器测试3.125Gbps的XAUI信号。  请大家忘记所谓的3-5倍这个关系，太不严谨的表达了！
关于带宽，我常喜欢讲下面这个故事：
大家知道，对于USB2.0一致性测试，USB-IF规范一开始要求的带宽是4GHz的示波器，因为那时候是只有一家示波器公司先发布这个测试软件包。所以那时候 USB2.0很火的时候，这家公司的4GHz示波器很火，但等到其他两家的USB2.0都发布的时候，USB-IF把这个规范标准降为2.5GHz的示波器，但等到另外一个非主流的第四家示波器厂商也搞出USB2.0的软件包的时候，USB-IF把这家1.5GHz带宽的示波器也认了。这其实只是说明了这家公司的公关能力蛮强的，也说明国外的权威标准组织也是讲政治的。对于USB2.0信号的测试，多少带宽的示波器的合适的呢？   如果您有钱投资，买4GHz或6GHz当然更好，低频段幅频特性的平坦度总会好些嘛。但我们是需要做负责任的投资的，仅仅为测试USB.20而购买4GHz以上的示波器毕竟是对公司很不负责任的投资。我们知道，USB2.0 high speed的信号速率是480Mbps，1UI大约等于2ns，20%UI大约等于400ps，USB上升时间最小值是500ps。对于USB芯片管脚的信号，其上升时间可能为500ps，对于系统级应用，示波器测试到的USB2.0的high speed信号通常都是从USB芯片输出管脚经过了一段PCB走线和一段USB连接线，示波器测试出来的上升时间很多时候都超过了1ns! 图13的例子已清楚表明对于800ps上升时间，1GHz和6GHz带宽测量结果几乎是完全一致。   因此，用1GHz的示波器就可以满足系统级应用中USB2.0 high speed的测试。但我们不太愿意推荐1GHz的示波器用于USB2.0 high speed的测试，因为USB-IF规范上并没有这样推荐，我们很难去说明工程师接受不符合规范的带宽。我们在测试某品牌台式机USB端口时，将带宽设为4GHz和1GHz时的上升时间对比，只相差30ps左右。我用的连接电脑和夹具之间的连接线很短，只有十几厘米，如果用长的USB线缆，上升时间更大。