Zastosowania cyfrowe oscyloskopu
Doświadczenie podpowiada, że szerokość pasma oscyloskopu powinna być co najmniej 5 razy większa niż najszybsza częstotliwość zegara cyfrowego testowanego układu. Jeśli wybrany przez nas oscyloskop spełnia to kryterium, to oscyloskop jest w stanie uchwycić 5. harmoniczną badanego sygnału przy minimalnym tłumieniu sygnału. Piąta harmoniczna sygnału jest bardzo ważna przy określaniu ogólnego kształtu sygnału cyfrowego. Jeśli jednak wymagane są dokładne pomiary szybkich zboczy, ten prosty wzór nie uwzględnia rzeczywistej zawartości wysokiej częstotliwości zawartej w szybko narastających i opadających zboczach.
Wzór: fBW Większy lub równy 5xfclk
Bardziej dokładny sposób określenia szerokości pasma oscyloskopu opiera się na najwyższej częstotliwości występującej w sygnale cyfrowym, a nie na maksymalnej częstotliwości taktowania. Najwyższa częstotliwość sygnału cyfrowego zależy od największej prędkości krawędziowej w projekcie. Dlatego w projekcie najpierw określamy czasy narastania i opadania najszybszych sygnałów. Informacje te można zwykle uzyskać z opublikowanych specyfikacji urządzeń zastosowanych w projekcie.
Użyj prostego wzoru, aby obliczyć maksymalną „rzeczywistą” zawartość częstotliwości w sygnale. Dr Howard W. Johnson napisał na ten temat książkę „High-Speed Digital Design”. W swojej książce nazywa tę składową częstotliwości częstotliwością „kolana” (fknee). Wszystkie szybkie krawędzie zawierają w swoim widmie nieskończoną liczbę składowych częstotliwości, ale istnieje punkt przegięcia (lub „kolana”), powyżej którego składowe częstotliwości są nieistotne przy określaniu kształtu sygnału. Krok 2: Oblicz fknee
fkolano=0.5/RT(10%-90%)fkolano=0.4/RT(20%-80%)
Dla sygnału, którego charakterystyka czasu narastania jest zdefiniowana zgodnie z progiem od 10% do 90%, częstotliwość kolankowa fknee jest równa 0,5 podzielona przez czas narastania sygnału. W przypadku sygnału, którego charakterystyka czasu narastania jest określona przez próg od 20% do 80%, jak to często ma miejsce w dzisiejszych specyfikacjach urządzeń, fknee wynosi 0,4 podzielone przez czas narastania sygnału. Należy jednak uważać, aby nie pomylić czasu narastania sygnału ze specyfikacją czasu narastania oscyloskopu. Mówimy tutaj o rzeczywistej prędkości krawędziowej sygnału. Trzecim krokiem jest określenie pasma oscyloskopu wymaganego do pomiaru tego sygnału w oparciu o dokładność pomiaru czasów narastania i opadania. Tabela 1 pokazuje zależność pomiędzy wymaganą szerokością pasma oscyloskopu i fknee przy różnych wymaganiach dotyczących dokładności dla oscyloskopu z charakterystyką częstotliwościową Gaussa lub maksymalną płaską charakterystyką częstotliwościową. Należy jednak pamiętać, że większość oscyloskopów o szerokości pasma wynoszącej 1 GHz i poniżej to zazwyczaj gaussowskie charakterystyki częstotliwościowe, natomiast oscyloskopy o szerokości pasma powyżej 1 GHz mają zazwyczaj maksymalnie płaską charakterystykę częstotliwościową. Tabela 1: Współczynniki do obliczania wymaganej szerokości pasma oscyloskopu w oparciu o wymaganą dokładność i typ odpowiedzi częstotliwościowej oscyloskopu Krok 3: Obliczanie szerokości pasma oscyloskopu
Wyjaśnijmy to na prostym przykładzie:
Aby oscyloskop miał prawidłową charakterystykę częstotliwościową Gaussa podczas pomiaru czasu narastania 500 ps (10-90%), określ minimalną wymaganą szerokość pasma; jeśli sygnał ma czas narastania/opadania wynoszący około 500 ps (określony przez kryterium od 10% do 90%), wówczas maksymalna rzeczywista składowa częstotliwościowa sygnału fknee=(0,5/500 ps)=1 GHz
Jeżeli podczas pomiarów parametrów czasu narastania i opadania dopuszczalny jest błąd synchronizacji wynoszący 20%, do tego zastosowania w pomiarach cyfrowych wystarczy oscyloskop o szerokości pasma 1 GHz. Jeśli jednak wymagana jest dokładność taktowania w granicach 3%, lepiej jest użyć oscyloskopu o szerokości pasma 2 GHz.
Dokładność taktowania 20%: szerokość pasma oscyloskopu=1.0x1 GHz=1,0 GHz
Dokładność taktowania 3%: szerokość pasma oscyloskopu=1,9x1 GHz=1,9 GHz
