Oscilloscoop bandbreedte digitale toepassingen
De ervaring leert ons dat de bandbreedte van de oscilloscoop minstens vijf keer groter moet zijn dan de snelste digitale kloksnelheid van het geteste systeem. Als de door ons gekozen oscilloscoop aan dit criterium voldoet, kan de oscilloscoop de 5e harmonische van het te testen signaal opvangen met minimale signaalverzwakking. De 5e harmonische van een signaal is erg belangrijk bij het bepalen van de algehele vorm van een digitaal signaal. Maar als nauwkeurige metingen van hogesnelheidsflanken vereist zijn, houdt deze eenvoudige formule geen rekening met de werkelijke hoogfrequente inhoud die zich in snel stijgende en dalende flanken bevindt.
Formule: fBW Groter dan of gelijk aan 5xfclk
Een nauwkeurigere manier om de bandbreedte van een oscilloscoop te bepalen is gebaseerd op de hoogste frequentie die aanwezig is in het digitale signaal, in plaats van op de maximale kloksnelheid. De hoogste frequentie van een digitaal signaal hangt af van de hoogste randsnelheid in het ontwerp. Daarom bepalen we eerst de stijg- en daaltijden van de snelste signalen in het ontwerp. Deze informatie kan doorgaans worden verkregen uit de gepubliceerde specificaties van de apparaten die in het ontwerp worden gebruikt.
Gebruik een eenvoudige formule om de maximale "echte" frequentie-inhoud van een signaal te berekenen. Dr. Howard W. Johnson schreef een boek "High-Speed Digital Design" over dit onderwerp. In het boek noemt hij deze frequentiecomponent de "knie"-frequentie (fknee). Alle snelle randen bevatten een oneindig aantal frequentiecomponenten in hun spectrum, maar er is een buigpunt (of "knie") waarboven frequentiecomponenten onbelangrijk zijn bij het bepalen van de vorm van het signaal. Stap 2: Bereken fknie
fknie=0.5/RT(10%-90%)fknie=0.4/RT(20%-80%)
Voor een signaal waarvan de stijgtijdkarakteristieken zijn gedefinieerd volgens de drempel van 10% tot 90%, is de kniefrequentie fknee gelijk aan 0,5 gedeeld door de stijgtijd van het signaal. Voor een signaal waarvan de stijgtijdkarakteristieken worden gedefinieerd door een drempel van 20% tot 80%, zoals vaak het geval is in de huidige apparaatspecificaties, is fknee gelijk aan 0,4 gedeeld door de stijgtijd van het signaal. Maar pas op dat u de stijgtijd van het signaal hier niet verwart met de stijgtijdspecificatie van de oscilloscoop. Waar we het hier over hebben, is de werkelijke signaalflanksnelheid. De derde stap is het bepalen van de oscilloscoopbandbreedte die nodig is om dit signaal te meten, op basis van hoe nauwkeurig u de stijg- en daaltijden moet meten. Tabel 1 toont de relatie tussen de vereiste bandbreedte van de oscilloscoop en fknee onder verschillende nauwkeurigheidseisen voor een oscilloscoop met Gaussische frequentierespons of maximale vlakke frequentierespons. Maar houd er rekening mee dat de meeste oscilloscopen met bandbreedtespecificaties van 1GHz en lager doorgaans Gaussiaanse frequentieresponstypen zijn, terwijl oscilloscopen met bandbreedtes boven 1GHz doorgaans maximale vlakke frequentieresponstypen zijn. Tabel 1: Coëfficiënten voor het berekenen van de benodigde bandbreedte van een oscilloscoop op basis van de vereiste nauwkeurigheid en het type oscilloscoopfrequentierespons Stap 3: Bereken de oscilloscoopbandbreedte
Laten we het uitleggen aan de hand van een eenvoudig voorbeeld:
Om ervoor te zorgen dat een oscilloscoop een correcte Gaussiaanse frequentierespons heeft bij het meten van een stijgtijd van 500 ps (10-90%), moet u de minimaal vereiste bandbreedte bepalen; als het signaal een stijgt/daaltijd heeft van ongeveer 500 ps (gedefinieerd door het 10% tot 90% criterium), dan is de maximale werkelijke frequentiecomponent van het signaal fknee=(0,5/500ps)=1GHz
Als bij het uitvoeren van stijg- en daaltijdparametermetingen een timingfout van 20% wordt toegestaan, is voor deze digitale meettoepassing een oscilloscoop met een bandbreedte van 1 GHz voldoende. Maar als de timingnauwkeurigheid binnen 3% moet liggen, is het beter om een oscilloscoop met een bandbreedte van 2GHz te gebruiken.
20% timingnauwkeurigheid: bandbreedte van de oscilloscoop=1.0x1GHz=1.0GHz
3% timingnauwkeurigheid: bandbreedte van de oscilloscoop=1.9x1GHz=1.9GHz
