示波器的兩種反應特性

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

        示波器的反應特性會(huì )對信號的波形有所影響，并改變信號上升時(shí)間的計算。當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)也陸續超越了Gbps，選擇適當的探針當然是一件重要的事，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(guò)采樣和信號處理顯示在屏幕上，同時(shí)保存數據。一旦選擇了不適當的示波器，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(shí)，不僅要衡量采樣頻率及帶寬，還必須對示波器的反應特性有所認知。比如，在測量非常陡峭的信號變化時(shí)，會(huì )因為示波器反應特性的差異而有所不同。

反應系統分為兩大類(lèi)

　　示波器的反應特性泛指從輸入端

的連接頭到畫(huà)面顯示整個(gè)測量系統的“傳遞特性”。通�？梢苑譃楦咚�(Gaussian Response)型反應系統和磚墻(Brick-wall Response)型反應系統兩大類(lèi)。磚墻型反應系統也稱(chēng)平坦反應型(Flat Response)。

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

　　常用的模擬示波器屬于高斯型反應系統，其頻率特性會(huì )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(huì )產(chǎn)生步級波形瞬間的前沖(Preshoot)、波形后的過(guò)沖(Overshoot)或波形上下震動(dòng)的振鈴(Ringing)等現象。在測量短過(guò)渡時(shí)間的數字電路信號時(shí)，這是很理想的特性。

　　模擬示波器必須將輸入端輸入的數mV微小電壓信號經(jīng)過(guò)幾級的放大電路，變換成數百mV的電壓，以確保足夠驅動(dòng)CRT顯示。這些放大電路的頻率反應特性正是高斯型的。

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

　　磚墻反應型的應答特性又稱(chēng)“最高平坦應答”，在頻帶內頻率響應極為平坦，而到了頻帶外的轉降(Roll-Off)時(shí)，信號相當陡峭。像這樣理想的頻率特性，在頻帶內的信號振幅是不會(huì )有衰減現象發(fā)生的。超過(guò)頻帶之外，信號振幅就成為零。

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

　　對于輸入步級波形的反應，容易出現前沖或過(guò)沖波形

　　示波器上升時(shí)間較長(cháng)，換言之，就是反應比較慢

　　這里所說(shuō)的示波器上升時(shí)間，是指步級輸入對應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)地展現出從輸入連接器端測量到的波形。因此，示波器上升時(shí)間就是其高頻特性的代名詞。同時(shí)，數字信號的上升時(shí)間，一般是指從低位階遷移到高位階的時(shí)間。通常指信號位階10%～90%的上升遷移時(shí)間，而對于高速數字通信來(lái)說(shuō)，大多是指20%～80%的時(shí)間遷移。

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

　　磚墻反應型示波器的上升時(shí)間(ns)=0.45/帶寬(GHz)

　　高斯反應型示波器的上升時(shí)間(ns)=0.35/帶寬(GHz)，理想上應該是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型示波器的上升時(shí)間約為70ps。

　　盡管磚墻反應型示波器的上升時(shí)間略遜一籌，實(shí)時(shí)采樣的寬帶數字示波器機種主要還是采用磚墻反應型的應答特性。仔細探究起來(lái)，主要的內在理由有二。其一，是要回避輸入信號與輸出信號電壓振幅的誤差，因為高斯反應型示波器在頻帶內的振幅誤差太大。從圖2所示兩種示波器的頻率響應圖可以看出它們在這方面的優(yōu)劣。假設輸入信號帶寬為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，即信號誤差大。

提高采樣頻率 抑制混淆現象

　　高速數字示波器選用磚墻反應型的另外一個(gè)重要原因，是要回避或盡量減小圖形混淆(Aliasing)現象。使用數字示波器測量高速信號時(shí)，會(huì )產(chǎn)生圖形混淆現象，主要因為在重現采樣的高速信號時(shí)，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(huì )對原來(lái)的信號波形造成失真，嚴重的話(huà)還會(huì )引起測量誤差。

　　圖形混淆現象多數發(fā)生在模擬數字轉換器的連續信號中，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(gè)成分在尼奎斯特頻率領(lǐng)域內折返，出現在示波器測量帶寬內。從頻率特性圖中可以清楚看出，磚墻反應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，可以抑制混淆現象的發(fā)生。

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

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

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

根據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(guò)測定信號的上升時(shí)間計算出來(lái)。

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

　　選擇示波器的反應特性。即在高斯型反應系統與磚墻反應型系統內選擇一個(gè)合適的，一般測量高速串行接口或總線(xiàn)的應用多數選擇后者。

　　必須把握必要的輸入帶寬。它與上升時(shí)間的測量誤差有關(guān)。有一家儀器公司做過(guò)仿真的實(shí)驗：若磚墻反應型系統允許3%的誤差，帶寬可以用(1.4×fmax)來(lái)計算；誤差若抑制在10%，用(1.2×fmax)來(lái)計算；20%的容許誤差時(shí)，則用(1.0×fmax)來(lái)計算。
估算最低的采樣頻率值。該數值會(huì )利用到上面的帶寬值，就磚墻反應型示波器來(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的數字信號，其fmax為4GHz，選擇磚墻反應型示波器，假定上升時(shí)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(chǎng)測試儀·兆歐表。

　　若采樣頻率14GHz應用在高斯型反應系統時(shí)，輸入的帶寬就變成3.5GHz，可以測量的信號上升時(shí)間為220ps，與磚墻反應型系統比差了一半。有些寬帶實(shí)時(shí)示波器依賴(lài)數字信號處理的活用，來(lái)實(shí)現磚墻反應型系統的特性。畢竟，單靠電路技術(shù)很難實(shí)現理想的特性。

　　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(shí)間理論應為0秒。)