示波器的兩種反應(yīng)特性

示波器的兩種反應(yīng)特性

　　工程人員在進(jìn)行高速數(shù)字信號(hào)測(cè)量時(shí)，通常需要具備兩種測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。一個(gè)是理解有關(guān)探針(Probe)等測(cè)試附件的特性，另外一個(gè)就是要了解測(cè)試儀器本身，通常就是指示波器（Oscilloscope）的頻率反應(yīng)特性。下面就來(lái)探討示波器的兩種反應(yīng)特性及不同反應(yīng)特性對(duì)系統(tǒng)的影響和區(qū)分。

        示波器的反應(yīng)特性會(huì)對(duì)信號(hào)的波形有所影響，并改變信號(hào)上升時(shí)間的計(jì)算。當(dāng)Pentium 4進(jìn)千兆赫時(shí)代后，Serial ATA及PCI Express等高速接口或總線(xiàn)也陸續(xù)超越了Gbps，選擇適當(dāng)?shù)奶结槷?dāng)然是一件重要的事，但選擇合適的示波器也是不可欠缺的工作。

　　測(cè)量波形從輸入連接器經(jīng)過(guò)采樣和信號(hào)處理顯示在屏幕上，同時(shí)保存數(shù)據(jù)。一旦選擇了不適當(dāng)?shù)氖静ㄆ鳎�波形就可能變形。尤其在測(cè)量像PCI Express高速串行接口的波形時(shí)，不僅要衡量采樣頻率及帶寬，還必須對(duì)示波器的反應(yīng)特性有所認(rèn)知。比如，在測(cè)量非常陡峭的信號(hào)變化時(shí)，會(huì)因?yàn)槭静ㄆ鞣磻?yīng)特性的差異而有所不同。

反應(yīng)系統(tǒng)分為兩大類(lèi)

　　示波器的反應(yīng)特性泛指從輸入端

的連接頭到畫(huà)面顯示整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的“傳遞特性”。通常可以分為高斯(Gaussian Response)型反應(yīng)系統(tǒng)和磚墻(Brick-wall Response)型反應(yīng)系統(tǒng)兩大類(lèi)。磚墻型反應(yīng)系統(tǒng)也稱(chēng)平坦反應(yīng)型(Flat Response)。

　　要區(qū)分或比較這兩類(lèi)系統(tǒng)的差異，最簡(jiǎn)單的方法就是看“-3dB頻率特性”及“步級(jí)(Step)波形的反應(yīng)”這兩個(gè)基本參數(shù)。

　　常用的模擬示波器屬于高斯型反應(yīng)系統(tǒng)，其頻率特性會(huì)在右肩端緩慢下滑，而步級(jí)波形的輸入即使再陡峭，也不容易產(chǎn)生波形失真，即不會(huì)產(chǎn)生步級(jí)波形瞬間的前沖(Preshoot)、波形后的過(guò)沖(Overshoot)或波形上下震動(dòng)的振鈴(Ringing)等現(xiàn)象。在測(cè)量短過(guò)渡時(shí)間的數(shù)字電路信號(hào)時(shí)，這是很理想的特性。

　　模擬示波器必須將輸入端輸入的數(shù)mV微小電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)幾級(jí)的放大電路，變換成數(shù)百mV的電壓，以確保足夠驅(qū)動(dòng)CRT顯示。這些放大電路的頻率反應(yīng)特性正是高斯型的。

　　而在測(cè)量高速串行接口的波形時(shí)，一般采用實(shí)時(shí)采樣方式的寬帶數(shù)字示波器，這類(lèi)示波器多采用磚墻反應(yīng)型的應(yīng)答系統(tǒng)。

　　磚墻反應(yīng)型的應(yīng)答特性又稱(chēng)“最高平坦應(yīng)答”，在頻帶內(nèi)頻率響應(yīng)極為平坦，而到了頻帶外的轉(zhuǎn)降(Roll-Off)時(shí)，信號(hào)相當(dāng)陡峭。像這樣理想的頻率特性，在頻帶內(nèi)的信號(hào)振幅是不會(huì)有衰減現(xiàn)象發(fā)生的。超過(guò)頻帶之外，信號(hào)振幅就成為零。

　　與高斯反應(yīng)示波器相比，磚墻反應(yīng)型示波器還是有幾個(gè)缺點(diǎn)：

　　對(duì)于輸入步級(jí)波形的反應(yīng)，容易出現(xiàn)前沖或過(guò)沖波形

　　示波器上升時(shí)間較長(zhǎng)，換言之，就是反應(yīng)比較慢

　　這里所說(shuō)的示波器上升時(shí)間，是指步級(jí)輸入對(duì)應(yīng)到輸出波形的上升時(shí)間。這個(gè)時(shí)間越短，代表示波器越能忠實(shí)地展現(xiàn)出從輸入連接器端測(cè)量到的波形。因此，示波器上升時(shí)間就是其高頻特性的代名詞。同時(shí)，數(shù)字信號(hào)的上升時(shí)間，一般是指從低位階遷移到高位階的時(shí)間。通常指信號(hào)位階10%～90%的上升遷移時(shí)間，而對(duì)于高速數(shù)字通信來(lái)說(shuō)，大多是指20%～80%的時(shí)間遷移。

　　下面這兩個(gè)數(shù)學(xué)式可用來(lái)估算磚墻反應(yīng)型及高斯反應(yīng)型示波器的上升時(shí)間：

　　磚墻反應(yīng)型示波器的上升時(shí)間(ns)=0.45/帶寬(GHz)

　　高斯反應(yīng)型示波器的上升時(shí)間(ns)=0.35/帶寬(GHz)，理想上應(yīng)該是0.338/帶寬(GHz)

　　舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)帶寬為6GHz的示波器，高斯反應(yīng)型示波器的上升時(shí)間約為58ps，而在目前主流的同等帶寬磚墻反應(yīng)型示波器的上升時(shí)間約為70ps。

　　盡管磚墻反應(yīng)型示波器的上升時(shí)間略遜一籌，實(shí)時(shí)采樣的寬帶數(shù)字示波器機(jī)種主要還是采用磚墻反應(yīng)型的應(yīng)答特性。仔細(xì)探究起來(lái)，主要的內(nèi)在理由有二。其一，是要回避輸入信號(hào)與輸出信號(hào)電壓振幅的誤差，因?yàn)楦咚狗磻?yīng)型示波器在頻帶內(nèi)的振幅誤差太大。從圖2所示兩種示波器的頻率響應(yīng)圖可以看出它們?cè)谶@方面的優(yōu)劣。假設(shè)輸入信號(hào)帶寬為1GHz，采樣頻率4GHz，由圖2所示可看出，高斯反應(yīng)型示波器的頻率特性在右肩緩慢下滑，尤其在超過(guò)帶寬1/3的頻帶領(lǐng)域，波形明顯衰減，即信號(hào)誤差大。

提高采樣頻率 抑制混淆現(xiàn)象

　　高速數(shù)字示波器選用磚墻反應(yīng)型的另外一個(gè)重要原因，是要回避或盡量減小圖形混淆(Aliasing)現(xiàn)象。使用數(shù)字示波器測(cè)量高速信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生圖形混淆現(xiàn)象，主要因?yàn)樵谥噩F(xiàn)采樣的高速信號(hào)時(shí)，某些信號(hào)混入了不必要的波形。這些混入的信號(hào)頻率成分會(huì)對(duì)原來(lái)的信號(hào)波形造成失真，嚴(yán)重的話(huà)還會(huì)引起測(cè)量誤差。

　　圖形混淆現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的連續(xù)信號(hào)中，含有超越尼奎斯特(Nyquist)頻率的成分，也就是采樣頻率的二分之一。這個(gè)成分在尼奎斯特頻率領(lǐng)域內(nèi)折返，出現(xiàn)在示波器測(cè)量帶寬內(nèi)。從頻率特性圖中可以清楚看出，磚墻反應(yīng)型示波器的圖形混淆影響微乎其微。

　　同樣條件下，能夠明顯看出超越尼奎斯特頻率2GHz的領(lǐng)域中，幾乎沒(méi)有信號(hào)，可以抑制混淆現(xiàn)象的發(fā)生。

　　另外，如果以20GHz、10GHz與5GHz三種不同的采樣頻率測(cè)量一個(gè)周期2.2ns、上升時(shí)間約90ps的波形，會(huì)得到不一樣的結(jié)果。采樣頻率越低，上升時(shí)間的實(shí)際測(cè)量值越長(zhǎng)，波形越不能忠實(shí)地呈現(xiàn)。

　　目前高速串行接口測(cè)量所使用的實(shí)時(shí)采樣寬帶數(shù)字示波器，高性能的機(jī)種所搭載模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的采樣頻率高達(dá)20GHz左右。一般為了降低圖形混淆現(xiàn)象發(fā)生，高斯反應(yīng)型示波器采樣頻率需是輸入信號(hào)的4～6倍，而磚墻反應(yīng)型示波器僅需2.5倍。

　　通常情況頻帶都低于1GHz，因此大多采用高斯型反應(yīng)系統(tǒng)，而高于1GHz的儀器則大多采用磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)。表2所示是兩種反應(yīng)型示波器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

根據(jù)性能要求選擇示波器

　　那么，如何來(lái)選擇最適合的示波器呢？有4個(gè)簡(jiǎn)單的步驟：

　　算出測(cè)量信號(hào)的最高頻率成分fmax。即信號(hào)頻率成分的上限，可以通過(guò)測(cè)定信號(hào)的上升時(shí)間計(jì)算出來(lái)。

假設(shè)上升時(shí)間由20%遷移到80%，可利用(0.4/信號(hào)上升時(shí)間)的數(shù)學(xué)式估算其約略值，而非直接從數(shù)據(jù)傳輸速率來(lái)估算。以當(dāng)紅的第三代總線(xiàn)PCI Express來(lái)說(shuō)，多數(shù)情況下其上升時(shí)間約為100ps。

　　選擇示波器的反應(yīng)特性。即在高斯型反應(yīng)系統(tǒng)與磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)內(nèi)選擇一個(gè)合適的，一般測(cè)量高速串行接口或總線(xiàn)的應(yīng)用多數(shù)選擇后者。

　　必須把握必要的輸入帶寬。它與上升時(shí)間的測(cè)量誤差有關(guān)。有一家儀器公司做過(guò)仿真的實(shí)驗(yàn)：若磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)允許3%的誤差，帶寬可以用(1.4×fmax)來(lái)計(jì)算；誤差若抑制在10%，用(1.2×fmax)來(lái)計(jì)算；20%的容許誤差時(shí)，則用(1.0×fmax)來(lái)計(jì)算。
估算最低的采樣頻率值。該數(shù)值會(huì)利用到上面的帶寬值，就磚墻反應(yīng)型示波器來(lái)說(shuō)，最低需要(2.5×帶寬)。

　　利用上面四點(diǎn)可以說(shuō)明一個(gè)案例：上升時(shí)間100ps的數(shù)字信號(hào)，其fmax為4GHz，選擇磚墻反應(yīng)型示波器，假定上升時(shí)間的誤差局限于3%，那么輸入信號(hào)的帶寬為5.6GHz，因此，采樣頻率最低也需要14GHz微阻計(jì)/毫歐表·電力分析儀·高壓棒·電流計(jì)/表·電磁場(chǎng)測(cè)試儀·兆歐表。

　　若采樣頻率14GHz應(yīng)用在高斯型反應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，輸入的帶寬就變成3.5GHz，可以測(cè)量的信號(hào)上升時(shí)間為220ps，與磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)比差了一半。有些寬帶實(shí)時(shí)示波器依賴(lài)數(shù)字信號(hào)處理的活用，來(lái)實(shí)現(xiàn)磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)的特性。畢竟，單靠電路技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)理想的特性。

　　總之，帶寬及采樣頻率的合適與否，是選擇昂貴示波器時(shí)的重要指針。此外，理解測(cè)試儀器的特性，也是掌握正確測(cè)定的關(guān)鍵要素。

(注：步級(jí)波形的上升時(shí)間理論應(yīng)為0秒。)