示波器带宽和采样率选择.docx

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1、1 电源测量中带宽的选择示波器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。示波器的放大器是低通滤波器，其幅频特性曲线如图1所示，带宽就是输入电压幅值降低到输

2、入-3dB(70.7%)时的截止频率点。带宽选择的理论依据，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，因此带宽的选择是示波器行业的销售人员几乎每天都会遇到的问题。这个问题有时侯很严肃，有时侯很滑稽。其实，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。这里面就需要一些数学上的推导来确定具

3、体上升时间和信号能量之间的量化关系。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。大家可以用4GHz、6GHz、13GHz测试后比较一下看看。•  电源不是串行信号，上面的规则并不

4、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HowardJohnson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。Howard认为，当示波器上升时间小于被测信号上升时间的1/3时，测量结果的误差小于5%。示波器上升时间约等于0.35/示波器带宽。这里面0.35是基于理想的低通滤波器模型RC电路推导的，实际可能是0.45,0.5不等。因此，我们可以根据信号的上升时间推导出需要的示波

5、器上升时间，再根据示波器手册或0.35的关系式选择示波器带宽。关于带宽的选择，业内充斥着不专业，不负责任的言论。这是值得警惕的。让我们回到问题本身,关于开关电源的带宽选择,要看具体测量需求。开关电源需要测量的信号可能包括：•  测量开关管（主流是MOSFET）的带宽选择电源调试中，要反复测量开关管的漏源极电源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

6、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

7、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。但这点曾经受到有些电源工程师的质疑，他认为对于Vds的高压信号，要看尖封毛刺局部的上升时间，研究其包含的能量。这里要

8、特别说明的是，测量开关管特别是半桥或全桥电路的上半桥，因为是不对地的悬浮高压，一般要用高压差分探头测量。目前高压差分探和电流探头90%以上都是第三方OEM的，最大带宽只有100MHz。虽然标称带宽是100MHz，但往往不是和示波器进行