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上升時間測量與示波器帶寬的兩三事

發布時間:2021-10-25 來源:ZLG 責任編輯:wenwei

【導讀】據統計,工程師們使用示波器最頻繁的功能是“參數測量”,但很多人并不知道示波器的帶寬會影響測試結果,今天我們就以上升時間的測量為例,分析它與示波器帶寬不可分割的關系 。


上升時間的定義


信號上升時間并不是信號從低電平上升到高電平所經歷的時間,而是其中的一部分。按常規理解就是:信號的上升時間是正向沿的較低閾值交叉點與較高閾值交叉點之間的時差。顧名思義,上升時間肯定是在信號的上升沿時測量的,較低閾值、較高閾值的取值在某些示波器中是可以自定義的,默認為 10%、90%幅值處。而幅值的定義,就是頂部值(Top)與底部值(Buttom)之差。頂部值,即波形較高部分的眾數(最普遍值)。


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為什么要測量上升時間


上升時間對電路性能有著重要的影響,比如信號上升時間的減小,會引發反射、串擾、軌道塌陷、電磁輻射、地彈等問題。


對于數字電路,輸出的通常是方波信號。方波的上升邊沿非常陡峭,根據傅立葉分析,任何信號都可以分解成一系列不同頻率的正弦信號,如下圖所示,方波中包含了非常豐富的諧波成分。疊加的諧波成分越多,波形就越像方波,諧波分量越多,上升沿越陡峭?;驈牧硪粋€角度說,如果信號的上升邊沿很陡峭,上升時間很短,那該信號的帶寬就很寬。

 

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方波的傅里葉分析


帶寬的定義


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 示波器組織框架


帶寬是示波器主要指標之一,它決定了示波器測試高頻信號的能力。主要由放大器等模擬器件決定的。對于放大器來說,其增益隨著信號的頻率增高會逐漸下降。一般把放大器增益下降-3dB對應的頻點稱為這個放大器的帶寬,示波器的帶寬也是用同樣方法定義的。


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帶寬圖解


帶寬對上升時間的影響


-3dB是按照信號的功率增益下降一半得出來的,大家都知道功率與電壓的平方成正比,故當功率增益下降一半時,電壓隨著頻率增加降為原來的0.707倍。比如給一個500MHz帶寬的示波器輸入一個500MHz,峰峰值為1V的方波信號,此時測出的結果約為0.7V,所以示波器對測量信號的幅度上也會有衰減。


根據上升時間的定義,幅度的誤差必然會導致上升時間的出錯,從而引入了誤差。在日常使用中,對示波器測得的上升時間,必須考慮到示波器對其的影響。通常來說,可以根據示波器的帶寬,引入一個示波器自身上升時間的概念 Ttro,其定義為 Ttro=0.35/BW,BW 即為示波器的帶寬。對于 200MHz 的示波器,可得 Ttro=0.35/200MHz=0.35*5ns=1.75ns.而對于上升時間為 T 的信號來說,根據經驗公式,可以得出測量的上升時間為:


Tmea = sqrt(Ttro2+ T2)


T 與 Tmea 的差距,就是測量的誤差了。


下面做個測試實驗,將一個100Mhz,邊沿為500ps的數字時鐘信號接入不同帶寬示波器進行邊沿測試。


下圖為100M帶寬示波器得到的波形結果,此時信號已明顯變形,只顯示出一個100Mhz的正弦波。


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100M示波器測試圖


下圖為500M帶寬示波器得到的波形結果,得到的上升時間約為750ps。此情況下示波器對信號上升時間的測量結果比較接近示波器自身的上升時間(700ps),而不是輸入信號的上升時間500ps。但此時示波器最高能捕獲到信號的5次諧波,若對數字測量要求不高的話,此時已滿足測試需求。 


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500M示波器測試圖


下圖為2G帶寬示波器得到的波形結果,得到的上升時間約為495ps。接近輸入信號的上升時間500ps?,F在可以看到比較精確的時鐘信號。但此時示波器成本投入也比較大。 


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2G示波器測試圖


總結


對模擬應用測試,其示波器的帶寬應比被測的模擬信號最高頻率高2~3倍即可;


對數字應用測試,示波器帶寬至少應比被測設計的最快時鐘速率快5倍,此時可保證基本的信號形狀,但在需要精確測量信號的邊沿或者時序的情況下,則應根據信號的最快邊沿估算其信號帶寬并據此決定需要的示波器帶寬。



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