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)字信號測量時，通常需要具備兩種測量技術(shù)的基礎(chǔ)知識。一個是理解有關(guān)探針(Probe)等測試附件的特性，另外一個就是要了解測試儀器本身，通常就是指示波器（Oscilloscope）的頻率反應(yīng)特性。下面就來探討示波器的兩種反應(yīng)特性及不同反應(yīng)特性對系統(tǒng)的影響和區(qū)分。

        示波器的反應(yīng)特性會對信號的波形有所影響，并改變信號上升時間的計算。當(dāng)Pentium 4進(jìn)千兆赫時代后，Serial ATA及PCI Express等高速接口或總線也陸續(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。

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

反應(yīng)系統(tǒng)分為兩大類

　　示波器的反應(yīng)特性泛指從輸入端

的連接頭到畫面顯示整個測量系統(tǒng)的“傳遞特性”。通�？梢苑譃楦咚�(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。磚墻型反應(yīng)系統(tǒng)也稱平坦反應(yīng)型(Flat Response)。

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

　　常用的模擬示波器屬于高斯型反應(yīng)系統(tǒng)，其頻率特性會在右肩端緩慢下滑，而步級波形的輸入即使再陡峭，也不容易產(chǎn)生波形失真，即不會產(chǎn)生步級波形瞬間的前沖(Preshoot)、波形后的過沖(Overshoot)或波形上下震動的振鈴(Ringing)等現(xiàn)象。在測量短過渡時間的數(shù)字電路信號時，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微小電壓信號經(jīng)過幾級的放大電路，變換成數(shù)百mV的電壓，以確保足夠驅(qū)動CRT顯示。這些放大電路的頻率反應(yīng)特性正是高斯型的。

　　而在測量高速串行接口的波形時，一般采用實時采樣方式的寬帶數(shù)字示波器，這類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“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，信號相當(dāng)陡峭。像這樣理想的頻率特性，在頻帶內(nèi)的信號振幅是不會有衰減現(xiàn)象發(fā)生的。超過頻帶之外，信號振幅就成為零。

　　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缺點：

　　對于輸入步級波形的反應(yīng)，容易出現(xiàn)前沖或過沖波形

　　示波器上升時間較長，換言之，就是反應(yīng)比較慢

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

　　下面這兩個數(shù)學(xué)式可用來估算磚墻反應(yīng)型及高斯反應(yīng)型示波器的上升時間：

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

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

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

　　盡管磚墻反應(yīng)型示波器的上升時間略遜一籌，實時采樣的寬帶數(shù)字示波器機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，主要的內(nèi)在理由有二。其一，是要回避輸入信號與輸出信號電壓振幅的誤差，因為高斯反應(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)圖可以看出它們在這方面的優(yōu)劣。假設(shè)輸入信號帶寬為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，尤其在超過帶寬1/3的頻帶領(lǐng)域，波形明顯衰減，即信號誤差大。

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)字示波器測量高速信號時，會產(chǎn)生圖形混淆現(xiàn)象，主要因為在重現(xiàn)采樣的高速信號時，某些信號混入了不必要的波形。這些混入的信號頻率成分會對原來的信號波形造成失真，嚴(yán)重的話還會引起測量誤差。

　　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。這個成分在尼奎斯特頻率領(lǐng)域內(nèi)折返，出現(xiàn)在示波器測量帶寬內(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，幾乎沒有信號，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量一個周期2.2ns、上升時間約90ps的波形，會得到不一樣的結(jié)果。采樣頻率越低，上升時間的實際測量值越長，波形越不能忠實地呈現(xiàn)。

　　目前高速串行接口測量所使用的實時采樣寬帶數(shù)字示波器，高性能的機種所搭載模擬數(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)缺點對比。

根據(jù)性能要求選擇示波器

　　那么，如何來選擇最適合的示波器呢？有4個簡單的步驟：

　　算出測量信號的最高頻率成分fmax。即信號頻率成分的上限，可以通過測定信號的上升時間計算出來。

假設(shè)上升時間由20%遷移到80%，可利用(0.4/信號上升時間)的數(shù)學(xué)式估算其約略值，而非直接從數(shù)據(jù)傳輸速率來估算。以當(dāng)紅的第三代總線PCI Express來說，多數(shù)情況下其上升時間約為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)選擇一個合適的，一般測量高速串行接口或總線的應(yīng)用多數(shù)選擇后者。

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

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

　　若采樣頻率14GHz應(yīng)用在高斯型反應(yīng)系統(tǒng)時，輸入的帶寬就變成3.5GHz，可以測量的信號上升時間為220ps，與磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)比差了一半。有些寬帶實時示波器依賴數(shù)字信號處理的活用，來實現(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的重要指針。此外，理解測試儀器的特性，也是掌握正確測定的關(guān)鍵要素。

(注：步級波形的上升時間理論應(yīng)為0秒。)