示波器带宽和采样率选择.docx

示波器带宽和采样率选择 在示波器的选购和使用中，带宽和采样率是两个非常重要的参数，它们直接影响着示波器的测量精度和实用性。然而，很多人对这两个参数的理解和选择方法存在误区和不专业的看法。 让我们来了解什么是示波器的带宽。示波器的带宽有四个相关名词：模拟带宽、数字带宽、系统带宽和触发带宽。数字带宽等于采样率的一半，实用意义不大。触发带宽是示波器厂商“硬”造出来的一个概念，是指示波器触发电路可以正常工作的最大输入正弦信号的频率。对于高端示波器，触发电路在输入信号频率超过一定大小就不能工作了！系统带宽是指示波器前端放大器和探头、测试夹具等组成的测量系统的带宽。一般不特别说明，带宽即是指示波器的模拟带宽，也就是示波器前端放大器的幅频特性曲线的截止频率点。 现在，让我们来讨论带宽选择的理论依据。带宽选择的理论依据可以用一句话来概括，就是带要能覆盖被测信号能量的99%以上。我们知道，任何信号都可以分解为无数次谐波的叠加，但是被测信号分解到多少次谐波之后能量会衰减到只剩下1%呢？这个答案不直观，因此带宽的选择是一个相对的结果，它取决于被测信号的类型和测量的准确度。最关键的因素是上升时间。上升时间越小，上升沿越陡，被测信号的高次谐波含量越丰富，需要的带宽越大。 业内比较认可的两个带宽选择的原则是：当被测信号是串行数据时，串行数据的上升时间如果大于20% UI（一个比特位的时间长度），那么示波器带宽只要达到被测信号比特率的1.8倍就能覆盖信号能量的99.9%。如果上升时间大于30% UI,只要1.2倍信号的比特率就足够了。现实电路中，串行数据的上升时间绝大多数在接收端时都大于30%了。因此，对于3Gbps的SATA信号，在经过夹具之后用4GHz示波器就可以。 对于电源不是串行信号，上面的规则并不适用。在很久很久以前，业内一就直流传的带宽选择依据是“3到5倍”法则，即带宽是被测信号频率的“3到5倍”。其实这里面没有强调上升时间，这个法则不够具有普适性。SI之父Howard Johnson以其个人权威给出一个从示波器上升时间来选择带宽的原则，但他没有给出详细的推导。 开关电源需要测量的信号可能包括：电源调试中，要反复测量开关管的漏源极电压Vds，驱动电压Vgs，漏源极电流Ids等，以确定上下开关管的死区时间以防止开关管“直通”导致电源炸机，要测量驱动信号波形，该波形的上升沿缓慢，开关管损耗会更大，上升沿陡，开关管损耗会更小，但漏源极过冲会更大。最重要的测量是确保Vds的电压峰峰值在各种动态条件下不会超个开关管Vds的最大限值。这些动态条件包括负载从空载到满载，满载到空载的跳变；负载在50%-75%-50%，25%-50%-25%之间的来回连续的跳变，以及开机软启动过程Vds的峰值电压。 这些动态条件下准确测量Vds的影响因素众多，在此不一一细述。这个测试项目在电源工程师心中的重要性我深以为然。这个值测量不准确，可能会导致开关管容易被损坏，或者是开关管的耐压值超过实际需要，影响到成本。开关管Vds额定值越大，价格越贵。因此，很多电源工程师纠结在这里。 开关管的上升时间取决于开关管具体型号。一般功率小的电源开关频率可以达到1MHz甚至更大，对应的开关管的上升时间越小。功率大的电源开关管开关频率小，只有100KHz甚至更小，上升时间大。但是多数开关管上升时间达到了100ns。即使开关管上升时间只有30ns，1/3的上升时间也有10ns，而100MHz的示波器的上升时间只有3.5ns。因此，用100MHz带宽示波器测量开关电源的开关管是足够的。其实，很少有开关管上升时间只有30ns的，限制带宽到20MHz就足够了。 示波器的带宽和采样率的选择是一个复杂的问题，需要考虑到被测信号的类型、上升时间、测量的准确度等多个因素。只有通过深入了解这些因素，才能够正确地选择示波器的带宽和采样率，确保测量结果的准确性和可靠性。