实时示波器垂直系统性能的综合衡量和MXR的测试结果分享

首先我们先看一下现代数字实时示波器的典型参考架构。

图1 现代数字实时示波器的典型参考架构

在上图典型参考架构图中，可以看到从各关键部件出发涉及到的业界常常提及的关键指标，比如模拟前端电路涉及的带宽，采样电路涉及的采样率及ADC位数等指标，以及触发和内存深度等数字实时示波器的四大最基本指标。

本期我们就再次从基本的带宽指标出发谈一谈示波器的带宽相关概念的演进发展和Keysight最新推出的中端示波器MXR的带宽和模拟前端性能。

再看一看下述的关于示波器模拟带宽的思维导图：


图2 实时示波器带宽思维导图

对于一个以示波器为主的数字信号测量系统来说，信号数字化即ADC采样之前一般有三个带宽定义：示波器本身带宽、探头带宽、系统带宽。本文，我们主要重点在示波器本身带宽。

另外示波器的不同频响方式下带宽的计算方法也略有差异，示波器的频响方式最传统的是高斯频响，高斯频响的示波器其频响方式类似低通高斯滤波器。高斯频响的示波器缺点主要体现在带内损耗较大，带外抑制能力不够。

早期的示波器和现在很多中低带宽的示波器的频响方式都是高斯或类高斯的。现代的很多高带宽示波器会采用另一种频响方式，即平坦频响。之所以产生这种分化的主要原因是考虑到在高带宽示波器上必须配置高采样电路的成本问题。两种频响曲线如下图所示。

图3 示波器的频响方式

接下来正式来看今天所讲的带宽。

一、示波器带宽

示波器带宽的定义，输入一个正弦波信号，保持幅度不变，增加信号频率，当示波器上显示的信号幅度是实际信号幅度的70.7%(即3dB衰减)的时候，该对应的信号频率就等于示波器带宽。

MXR全系列提供了丰富的带宽选择，从500MHz到6GHz，全系列均支持低带宽型号用户现场软件自升级到更高带宽型号。每个通道输入处，都有一个低噪声的前端定制芯片，它是130ns BiCMOS 芯片，内部集成了模拟滤波器，因此客户可以选择滤波器的带宽（该示波器也支持数字滤波器，其类型可选，砖墙式频响滤波器、4阶贝塞尔滤波器、带通滤波器，也因此实现了现场带宽的软件升级。）

这里要注意的是，使用砖墙式频响滤波器，其带宽可以设置到示波器的最大带宽，使用4阶贝塞尔滤波器，其带宽可以设置到示波器最大带宽的2/3左右，带通滤波器是专为相位噪声分析应用而设计的，通常情况下，不使用该滤波器。

小K用一台MXR608A，带宽为6GHz的工程样机进行扫频测试，输入一个幅度为500mV的正弦信号，从频率为1GHz开始，增加信号频率到6GHz, 测量结果如下表所示。


图4 MXR带宽测定环境



对于6GHz带宽的高斯频响示波器，输入1GHz左右正弦波信号，幅度为500mV，测量的幅度值理论上应该为490 mV, 2GHz的正弦波信号，测量的幅度值理论上应该为470mV左右。而本工程样机的测试结果，在2GHz时，幅度值为497.4mV, 去除连接电缆和接头的影响，示波器测量2GHz正弦波信号几乎没有衰减。在3GHz频点，测得的信号幅值也接近500mV，其表现远远优异于高斯响应产品。在4GHz频点的正弦波信号测量结果，如果去除探头和连接线衰减，幅度误差则在10%左右。这些都说明，MXR采用的是平坦响应。

而如果根据示波器3dB衰减带宽来计算，可以初步计算6GHz对应的幅值为353.5mV，从测量结果来看，带宽为6GHz的MXR608A示波器，即使输入6GHz的正弦波信号其幅度只衰减了20%，也没有降低3dB。这也说明MXR中端示波器不是高斯频响示波器，而是平坦响应示波器，因此能够准确测量其带宽范围内所有频率的信号及分量。而事实上，MXR系列产品6GHz型号其带宽最高可设定到6.3GHz，额外赠送300MHz哦！

以上仅提供了幅度方面结果，在水平方向频率和周期其测量结果即使到6GHz频点测量也非常精准。

结论：MXR作为一台采用平坦响应的示波器，对其带宽内信号均具有优异的表征能力，为各种精确测量包括一致性测试和数字接收机应用提供有力保障。

二、示波器带宽选择的经验公式或法则

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，或者所需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该公式，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。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。

今天基于采用平坦响应的MXR系列示波器，对正弦波信号分量3GHz信号，其幅度误差基本可以忽略不计。针对5GHz正弦波，幅度误差在10%左右，6GHz，幅度误差在20%。在仪器性能已知情况下，MXR完全可以用于6GHz正弦波信号测量，也就是说其MXR的6GHz带宽效能相当可观。

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应至少能观察到所测信号的5次谐波。这种说法存在假设前提条件是被测方波信号的5次谐波能量仍然在示波器本底噪声之上，而7次谐波能量被淹没在示波器本底噪声之中，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。因此早在2008年左右，PCI-Sig协会针对PCIE3.0的一致性测试推荐的带宽就是13GHz，因为当时业界的20GHz示波器产品底噪很大，根本无法表征到5次谐波。

MXR系列中端示波器，带宽涵盖500MHz—6GHz,提供了业界当前主流的所有中等信号速率标准的一致性测试，包括(但不限于)：



除了上述标准的一致性测试，MXR 6GHz型号对HDMI1.4b，PCIE1.x，SATA 1.5G/3.0Gbps，Rapid IO等速率在4Gbps以下信号也可以支持。

以上还需要特别说明的是，针对DDR3/LPDDR3, 1866 MT/s，时钟频率在933MHz(也是数据总线变换的最快速率)，因此MXR 6GHz(隐藏带宽到6.3GHz)可以采集到7次谐波,因此可以基本支持到这一速率。

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，对于平坦响应的示波器，BWscope = 0.5/Tr x 1.4（被测信号给出10%~90%的上升时间），BWscope ＝ 0.4/Tr x1.4（若给出的上升时间是20%~80%）. 对于高斯频响的示波器，BWscope = 0.5/Tr x 2（被测信号给出10%~90%的上升时间），BWscope＝0.4/Tr x2（若给出的上升时间是20%~80%）。


图5 MXR系列型号上升沿时间

MXR基于平坦响应，能够测得的信号上升沿：

- 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

实际测量时大于以上上升沿时间的待测信号都可以得到很好的表征。

以上，我们就数字实时示波器的带宽和最新的MXR的带宽和实测做了一个简单的介绍。

小知识：带宽与上升时间的关系

与示波器的带宽技术指标有极大关系的还有示波器的上升时间指标。对于高斯频响的示波器，按照10%至90%标准，其上升时间大约为0.35 / BWscope。对于具有最大平坦度响应的示波器，其上升时间技术指标的范围通常在0.4 / BWscope 左右，取决于频率下降特征的尖锐程度。

切记，示波器的上升时间并不是示波器可以精确测量的最快边沿速度。假定输入信号具有理论上无限快的上升时间(0 ps)，示波器的上升时间是示波器可能产生的最快边沿速度。虽然这个理论上的技术指标是不可测量，这是因为脉冲发生器实际上不能生成无限快的边沿，但可以通过输入边沿速度比示波器上升时间技术指标快 3 到 5 倍的脉冲信号，以测量示波器的上升时间。

三、垂直系统常被忽视的其它一些指标

事实上，中端示波器已经成为一个充分竞争的红海市场，多个品牌和近10多种产品系列常常令工程师有眼花缭乱和无所适从的感觉。因此单纯的带宽比较，已经不能完全表征不同产品的差异，需要更全面的考察示波器的垂直系统的总体性能，当然也会涉及到更多指标。比如示波器的本底噪声和通道输入幅度等。

示波器的本底噪声主要来自示波器的模拟前端，业界一般均定义其为高斯白噪声，带宽越宽噪声则越大。因此在实际工作中，除了针对不同信号测试采取带宽限制外另外选择低本底噪声仪表就显得格外重要。关于低本底噪声对眼图测试的意义请参考往期文章《浅论示波器的低本底噪声对高速眼图测试的意义》。

最新MXR系列传承自S系列示波器的优异前端，提供了业界最低的本底噪声。6 GHz带宽50mV/Div 时，本底噪声仅为971uV，是业界同类其它产品的80%，针对一致性和眼图测试提供了最高的测量精度。针对电源纹波测试，配置N7020A 2GHz带宽电源纹波探头，1:1衰减，设置为2mV/Div时，提供10mV级电源纹波和噪声测量，本底噪声仅为91uV。

低本底噪声还对很多其它小信号和射频信号测试非常关键，不再过多举例。

以上谈到的是示波器的本底噪声，涉及测量精度。另外一个常常被忽视的指标是示波器模拟通道容许最大输入幅度，涉及到仪器安全，这一指标对仪器的安全使用至关重要。

由于在今天很多的一致性测试和数字接收机应用中，经常采用电缆直接接入到示波器，因此示波器在面对信号异常跳变，静电以及外部EMI/EMC等干扰面前基本处于”裸奔”状态。静下心来，想一想，您是否曾经遇到过示波器的模拟通道在不知不觉中被打坏过，然后耗时，耗力去送修？

Keysight高端磷化铟V/Z/UXR系列示波器是业界唯一所有档位下支持±4V输入的高端产品。

而最新MXR中端示波器，最大输入电压范围在50Ω时，为±5V:


图6 如MXR中端示波器最大允许输入幅度

在中端级别产品上，这一指标本身不应成为技术瓶颈，然而事实上不同产品却存在差异。推测原因之一是因为为了考虑带宽或者降噪而没有采用性能足够的衰减器，因此牺牲了模拟通道容许的输入幅度。相比之下，Keysight的所有实时示波器均提供了最优异且均衡的指标。

涉及垂直系统另外还有一些其它指标，比如垂直刻度灵敏度，偏移设置等，在当下看来各厂家产品差异不大，因此不在这里做详细说明。


图7 MXR608A正面视图

以上就是本期关于MXR的所有内容，关于示波器的带宽或垂直系统，